航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂與典型沙粒形貌對比分析

曾 林 ，程 禮 ，2，李 寧 ，陳 皎 ，李思路

（1.空軍工程大學(xué)，西安710051；2.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191；3.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安710049；4.中國人民解放軍95478部隊(duì)，重慶401329）

0 引言

強(qiáng)風(fēng)將地面上的土壤顆粒卷入空中造成的視程障礙現(xiàn)象，包括沙塵暴、揚(yáng)沙和浮塵[1]。飛機(jī)在起降過程中，發(fā)動機(jī)往往會吸入由風(fēng)或飛機(jī)旋翼、尾跡揚(yáng)起的浮塵或沙粒（沙粒適用于自然層面，砂粒適用于工程、礦物或制造層面，因此下文中與標(biāo)準(zhǔn)砂相關(guān)時使用砂粒，與其它自然沙相關(guān)時均使用沙粒），吸入沙粒會對發(fā)動機(jī)造成很大傷害，大的沙?？赡軐?dǎo)致壓氣機(jī)葉片磨蝕，效率下降，而小的沙?？赡軐?dǎo)致渦輪冷卻空氣孔堵塞并引起渦輪葉片燒蝕[2，3]，并可能進(jìn)入軸承腔，污染滑油，磨蝕軸承[4-7]。為了測試發(fā)動機(jī)吞砂后的工作能力，世界幾大航空強(qiáng)國均將新型發(fā)動機(jī)的吞砂試驗(yàn)作為設(shè)計(jì)定型的必要測試項(xiàng)目。早在20世紀(jì)80年代，美國GE公司就根據(jù)《發(fā)動機(jī)葉片材料耐砂蝕（顆粒侵蝕）性測試規(guī)范》（MIL-STD-3033），對TF34和CF-6發(fā)動機(jī)進(jìn)行吞砂試驗(yàn)；英國羅羅公司根據(jù)NATO標(biāo)準(zhǔn)完成了奧林巴斯593發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)；俄羅斯也根據(jù)GOST相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)完成了TB2-117發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)，很好地檢測了航空發(fā)動機(jī)抗沙塵的能力，并以此為根據(jù)指導(dǎo)航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)與制造，取得了良好的效果[8]。國內(nèi)科研和工業(yè)部門敏銳地發(fā)現(xiàn)了這個趨勢，及時制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，因此中國軍標(biāo)《航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB 241A）和《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB 242）也把新型發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)規(guī)定為發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)定型的關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目之一[9]，吞砂試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)砂，由于北約NATO吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與美軍標(biāo)MIL-STD-3033制定方式類似，相似度較高，中國吞砂試驗(yàn)軍標(biāo)參考俄羅斯GOST吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和美軍標(biāo)MIL-STD-3033設(shè)置，而且美國的吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂應(yīng)用最廣泛，因此將美國航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂與中國典型沙粒進(jìn)行形貌對比分析對吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂的應(yīng)用合理性具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義與驗(yàn)證意義。美國軍標(biāo)MIL-STD-3033規(guī)定試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂為經(jīng)破碎的石英石形成的合成礦物石英砂，要求砂粒均勻分布，并能通過直徑為240～550μm的篩孔[10]；中國軍標(biāo)GJB 1171-91規(guī)定試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂為含SiO2成分90%以上的碎石英粉末，按粒子尺寸分布分為試驗(yàn)粗砂塵和試驗(yàn)細(xì)砂塵[11]。然而，上述標(biāo)準(zhǔn)中對標(biāo)準(zhǔn)砂的形貌特征要求都不明確，因此在航空學(xué)界對吞砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂的形貌是否對航空發(fā)動機(jī)傷害最大一直存在疑慮。

為此，本文提出了沙粒形貌特征的新統(tǒng)計(jì)表述方法——數(shù)字圖像獲取、沙粒圓度（沙粒圖片實(shí)際面積與其外接圓面積之比）分析、標(biāo)尺對比與觀察統(tǒng)計(jì)、振動轉(zhuǎn)換與跟蹤、統(tǒng)計(jì)指標(biāo)比較，并且對采購自美國的航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)砂與中國海南、福建廈門、騰格里沙漠和塔克拉瑪干沙漠等典型地區(qū)沙粒的形貌特征（形狀、大小、圓度、顏色）[12]進(jìn)行了對比分析，為航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)的科學(xué)性與客觀性提供了重要支撐。

1 吞砂試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)砂

1.1 吞砂試驗(yàn)

航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)，是指在地面條件下，航空發(fā)動機(jī)工作在規(guī)定狀態(tài)，持續(xù)、均勻地吞入砂塵的試驗(yàn)[6]。應(yīng)滿足軍標(biāo)確定的砂塵粒度百分比、質(zhì)量和發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)、工作時間等參數(shù)。依據(jù)吞砂試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合軍標(biāo)規(guī)定判斷新發(fā)動機(jī)是否合格。發(fā)動機(jī)包括所有附件在內(nèi)，應(yīng)能在整個工作范圍內(nèi)、最高5級砂塵環(huán)境（砂塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.053 g/m3）下正常工作；應(yīng)能在最大連續(xù)功率狀態(tài)、規(guī)定的砂塵環(huán)境下總工作持續(xù)時間達(dá)10 h以上，其功率損失不大于5%．耗油率增加不大于5%，且不影響功率變換能力[13]。

1.2 中國標(biāo)準(zhǔn)砂與美國標(biāo)準(zhǔn)砂[10-11，13-14]

GJB 2026-1994規(guī)定吞砂試驗(yàn)使用包括90%尖角結(jié)構(gòu)石英砂，砂塵應(yīng)做凈化處理，不含碳化物和有機(jī)物，保持砂塵干燥，必要時進(jìn)行烘干處理。各顆粒大小比例見表1。

表1 GJB 2026規(guī)定試驗(yàn)用砂塵粒度分配比例

試驗(yàn)用砂按照規(guī)范使用石英砂，用篩網(wǎng)分出粒度為 900、600、400、200、125、75 μm 的砂塵，按標(biāo)準(zhǔn)百分比配制成試驗(yàn)砂塵。試驗(yàn)用砂配比見表2。

表2 試驗(yàn)用砂塵配比

除另有規(guī)定外，試驗(yàn)時發(fā)動機(jī)進(jìn)口砂塵質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為0.053 g/m3。

美國軍標(biāo)MIL-STD-3033規(guī)定:侵蝕物是經(jīng)斷裂石英石形成的合成礦物石英砂，可將石英石粉碎或壓制獲得，切勿用水沖洗。使用大型工業(yè)篩網(wǎng)（依照ASTM E11）篩分，砂粒應(yīng)該穿過直徑為240～550μm的篩孔。

2 沙粒形貌特征提取方法與特征指標(biāo)

2.1 沙粒形貌特征提取方法

以美國標(biāo)準(zhǔn)砂為例說明。

在20世紀(jì)80年代之前，由于受技術(shù)限制，傳統(tǒng)篩分、目視、網(wǎng)格化測量等方法是研究分析沙粒的常用方法，誤差較大，統(tǒng)計(jì)也不夠全面；其后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字照相與數(shù)字圖像處理的方法運(yùn)用到沙粒形態(tài)分析中，現(xiàn)代已經(jīng)采用3維方法和化學(xué)分析方法對沙粒進(jìn)行研究，由于本文只需要比較幾種沙粒形貌對航空發(fā)動機(jī)的破壞能力大小，數(shù)字照相與數(shù)字圖像處理對此類問題具有簡便快捷、分析準(zhǔn)確、統(tǒng)計(jì)全面等優(yōu)點(diǎn)[15-17]，因此本文采用該方法對沙粒的形貌特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（1）數(shù)字圖像獲取。在1袋砂粒中隨機(jī)取出一小部分，將其置于黑底的光學(xué)顯微鏡載物臺上，隨后移動鏡頭，對有代表性區(qū)域的砂粒拍照，得到大量黑底砂粒數(shù)字圖片，如圖1所示。

（2）砂粒圓度分析。用圓度計(jì)算程序?qū)λ姓掌M(jìn)行處理，利用分布率表格方法統(tǒng)計(jì)出不同圓度區(qū)間的砂粒數(shù)目與比例（結(jié)果見表3），從而對砂粒的外形特點(diǎn)有直觀地認(rèn)識。

圖1 美國標(biāo)準(zhǔn)砂照片（放大30倍）

表3 標(biāo)準(zhǔn)砂圓度統(tǒng)計(jì)

（3）標(biāo)尺對比與觀察統(tǒng)計(jì)。觀察大量數(shù)字照片，并且與照片中的標(biāo)尺照片進(jìn)行比對，通過伯努利實(shí)驗(yàn)方法得出砂粒的形狀、大小、顏色[12]的參數(shù)與特點(diǎn)，如圖2所示。

（4）振動轉(zhuǎn)換與跟蹤。隨機(jī)選取少量砂粒，不斷對載物臺施加人為振動，分別拍下每顆砂粒處于不同方位的黑底投影照片，對這些照片進(jìn)行圓度處理，計(jì)算每顆砂粒不同位置圓度值的標(biāo)準(zhǔn)差，把5顆砂粒振動轉(zhuǎn)換與跟蹤所得圓度值的5個標(biāo)準(zhǔn)差值再次求標(biāo)準(zhǔn)差（結(jié)果見表4），得到該砂粒的均勻度，表示砂粒形狀的一致性（如果均勻度比較大，那么砂粒的形狀類型就比較多）。

圖2 標(biāo)尺圖片（放大30倍，2條粗線間距1 mm）

表4 標(biāo)準(zhǔn)砂振動轉(zhuǎn)換與跟蹤圓度統(tǒng)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)砂圓度主要集中于0.4～0.9，大量砂粒圖片與圖中標(biāo)尺對比可得標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑集中于0.30～0.60 mm。

經(jīng)觀察大量照片發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)砂主要呈白色，形狀復(fù)雜，多為不太規(guī)則的三角形、四邊形以及橢圓形，邊緣轉(zhuǎn)角較尖銳。從表4中可見，每次振動轉(zhuǎn)換與跟蹤的標(biāo)準(zhǔn)差均很小，并且有些砂粒的多次振動轉(zhuǎn)換與跟蹤所得的圓度值較低，可以得出標(biāo)準(zhǔn)砂比較尖銳，棱角分明，且尖角分布較均勻。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)砂的形貌特征指標(biāo)

為了更加詳細(xì)地描述沙粒形態(tài)，定義以下指標(biāo):

（1）均勻度:把5顆沙粒4次敲擊跟蹤所得圓度值的標(biāo)準(zhǔn)差再次求標(biāo)準(zhǔn)差，從而得到該沙粒的均勻度，表示沙粒形狀的一致性。

（2）圓度分布:由于沙粒的圓度分布基本服從正態(tài)分布，故把1種沙粒的主要圓度分布區(qū)間在均值為0.65、標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布中所占的概率定義為圓度分布，從而表示圓度分布的范圍大小。

（3）粒徑分布:由于沙粒的粒徑分布基本服從正態(tài)分布，故把1種沙粒的主要粒徑分布區(qū)間在均值為0.45、標(biāo)準(zhǔn)差為1的正態(tài)分布中所占的概率定義為粒徑分布，從而表示粒徑分布的范圍大小。

經(jīng)過計(jì)算得到:美國標(biāo)準(zhǔn)砂的均勻度為0.01894，圓度分布為0.1974，粒徑分布為0.1192。

3 中國典型地區(qū)沙粒形貌特征指標(biāo)分析

3.1 典型地區(qū)沙粒形貌特征

典型地區(qū)的沙粒形貌特征利用上述相同的方法得到。塔克拉瑪干沙漠、廈門、海南和騰格里沙漠沙粒照片如圖3~6所示，沙粒圓度見表5~8，沙粒振動轉(zhuǎn)換與跟蹤圓度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9~11（塔克拉瑪干沙漠沙粒過于細(xì)小，平均粒徑比其它沙粒小1個數(shù)量級及以上，其外形對吞砂試驗(yàn)的影響可以忽略不計(jì)，而且對其進(jìn)行振動轉(zhuǎn)換與跟蹤圓度統(tǒng)計(jì)較困難，因此對該種沙粒僅進(jìn)行圓度統(tǒng)計(jì)）。

圖3 塔克拉瑪干沙漠沙粒照片

圖4 廈門沙粒照片

圖5 海南沙粒照片

圖6 騰格里沙漠沙粒照片

表5 塔克拉瑪干沙漠沙粒圓度統(tǒng)計(jì)

表6 廈門沙粒圓度統(tǒng)計(jì)

表7 海南沙粒圓度統(tǒng)計(jì)

表8 騰格里沙漠沙粒圓度統(tǒng)計(jì)

表9 廈門沙粒振動轉(zhuǎn)換與跟蹤圓度統(tǒng)計(jì)

表10 海南沙粒振動轉(zhuǎn)換與跟蹤圓度統(tǒng)計(jì)

表11 騰格里沙漠沙粒振動轉(zhuǎn)換與跟蹤圓度統(tǒng)計(jì)

3.2 典型地區(qū)沙粒形貌特征指標(biāo)

利用上述方法計(jì)算分析得到典型地區(qū)沙粒的圓度、粒徑、形貌特征指標(biāo)參數(shù)與形貌分析如下:

（1）塔克拉瑪干沙漠沙粒的圓度分布為0.1568，粒徑分布為0.05829。沙粒圓度主要集中于0.6～1.0，對大量沙粒圖片與標(biāo)尺圖片對比可知粒徑集中于0.15～0.30 mm。

觀察大量照片發(fā)現(xiàn)塔克拉瑪干沙漠沙粒主要呈黃色，形狀比較單一，多為橢球形，成因推測是沙漠刮風(fēng)的打磨作用。因沙粒過于細(xì)小，故無法進(jìn)行敲擊跟蹤，只對圓度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（2）廈門沙粒的均勻度為0.02169，圓度分布為0.07878，粒徑分布為0.1964。沙粒圓度主要集中于0.7～0.9，對大量沙粒圖片與標(biāo)尺圖片對比可知粒徑集中于0.30～0.80 mm。

觀察大量照片發(fā)現(xiàn)廈門沙粒主要呈白色或透明色，形狀復(fù)雜，主要是復(fù)雜多邊形，邊角尖銳，并且薄片狀沙粒多，底面平整度不高。

（3）海南沙粒的均勻度為0.01112，圓度分布為0.07877 ，粒徑分布為0.2723。沙粒圓度主要集中于0.7～0.9，對大量沙粒圖片與標(biāo)尺圖片對比可知粒徑集中于0.20～0.90 mm，還存在少數(shù)粒徑為1.5～1.8 mm的大顆粒。

觀察大量照片發(fā)現(xiàn)海南沙粒主要呈白色或土黃色，形狀復(fù)雜，主要有邊角尖銳的多邊形和渾圓的圓餅狀，并且薄片狀砂粒多，底面平整度高。

（4）騰格里沙漠沙粒的均勻度為0.008320，圓度分布為0.1186，粒徑分布為0.1186。沙粒圓度主要集中于0.6～0.9，對大量砂粒圖片與標(biāo)尺圖片對比可知粒徑集中于0.20～0.50 mm。

觀察大量照片發(fā)現(xiàn)騰格里沙漠沙粒形狀比較單一，多為不規(guī)則的三角形與四邊形，邊角尖銳，薄片狀沙粒多，底面不平整。

為了直觀表示各種沙粒的形貌特征，各種沙粒的圓度粒徑匯總見表12，形貌特征指標(biāo)參數(shù)匯總見表13。

表12 沙粒圓度粒徑匯總

表13 沙粒形貌特征指標(biāo)參數(shù)匯總

3.3 對比分析

為了便于各種沙粒間的對比分析，定義圓度分布比和粒徑分布比2個參數(shù)。

（1）圓度分布比。將1種沙粒與標(biāo)準(zhǔn)砂的圓度分布的比值定義為該沙粒的圓度分布比，用來表示該沙粒圓度分布與標(biāo)準(zhǔn)砂的接近程度，越接近于1說明該沙粒圓度分布與標(biāo)準(zhǔn)砂的越接近。

（2）粒徑分布比。將1種沙粒與標(biāo)準(zhǔn)砂的粒徑分布的比值定義為該沙粒的粒徑分布比，用來表示該沙粒粒徑分布與標(biāo)準(zhǔn)砂的接近程度，越接近于1說明該沙粒粒徑分布與標(biāo)準(zhǔn)砂的越接近。

各種沙粒的圓度分布比和粒徑分布比見表14。

表14 中國典型沙粒圓度及粒徑分布比匯總

基于表14的對比分析，可以得到以下分析結(jié)論:

標(biāo)準(zhǔn)砂的圓度值分布比其它典型地區(qū)的沙粒都低，幾種典型地區(qū)的沙粒圓度分布比都較小，因此標(biāo)準(zhǔn)砂外形最尖銳，破壞性最大。一部分沙粒的粒徑分布比大于1，一部分小于1，因此標(biāo)準(zhǔn)砂粒徑分布適中，能夠同時模擬多種砂粒環(huán)境，適合進(jìn)行吞砂試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

GJB2026-1994《航空渦噴渦扇發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)要求》和GJB242-1987《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》等軍標(biāo)在保證實(shí)際試驗(yàn)效果的情況下有時會簡化對砂粒的各種要求，或者存在一定的不足，本文利用拍沙粒照片進(jìn)行圓度處理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)砂及典型地區(qū)沙粒（南海（海南）、東海（廈門）、騰格里沙漠、塔克拉瑪干沙漠的沙粒和標(biāo)準(zhǔn)砂）的形貌特征（形狀、大小、圓度、顏色）進(jìn)行了分析，并利用均勻度、圓度分布比、粒徑分布比等參數(shù)比較了其形態(tài)特點(diǎn)，得出以下結(jié)論:標(biāo)準(zhǔn)砂外形最尖銳，不同粒徑的砂塵均按要求嚴(yán)格配比，與軍標(biāo)規(guī)定的材質(zhì)要求結(jié)合起來基本能模擬自然環(huán)境下航空發(fā)動機(jī)遭受的所有嚴(yán)重吞砂損傷情況，試驗(yàn)表明利用標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)時對發(fā)動機(jī)的損傷最嚴(yán)重，因此可以一次性檢驗(yàn)航空發(fā)動機(jī)吞砂能力，排除試驗(yàn)情況紛繁的干擾，同時也提高了發(fā)動機(jī)的安全工作裕度，最大程度地保證了發(fā)動機(jī)的安全使用。

本文的研究方法和結(jié)論完善了軍標(biāo)中相關(guān)內(nèi)容，為航空發(fā)動機(jī)吞砂試驗(yàn)用砂的合理性提供了有力的論證。