熱腐蝕對(duì)航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究

黃興隆

摘 要：在沙塵和鹽霧環(huán)境下，熱腐蝕會(huì)嚴(yán)重危害燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的安全，并大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。本文分析熱腐蝕對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，以渦輪葉片為主要研究對(duì)象，從葉片表面粗糙度和流通面積這兩個(gè)方面出發(fā)，定性分析了其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)流量和渦輪效率兩個(gè)方面的作用。以CT7-8A渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用Turbomatch軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真，對(duì)熱腐蝕的影響進(jìn)行分組模擬，分析出發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率、TET、功率、壓比等參數(shù)的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);熱腐蝕;渦輪葉片;發(fā)動(dòng)機(jī)性能

中圖分類號(hào)：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0114-03

長期運(yùn)行在沙塵或鹽霧環(huán)境下的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，葉片腐蝕是一個(gè)常見問題，嚴(yán)重的情況下，腐蝕會(huì)加速發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減，降低葉片使用壽命，并嚴(yán)重危害發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行。

對(duì)于海上飛行器，特別是搜索和救援直升機(jī)（SAR直升機(jī)），其面臨著壓氣機(jī)污染沉積和渦輪葉片腐蝕的嚴(yán)峻壓力。搜救直升機(jī)在執(zhí)行海上搜救任務(wù)時(shí)，為便于目視搜尋目標(biāo)，需貼近海平面進(jìn)行飛行，通常海拔高度為60m～120m。海面低空大氣中含有大量的海鹽，在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫作用下，生成腐蝕性鹽附著在葉片上，引發(fā)嚴(yán)重的腐蝕問題。

1研究目的及方法

本文旨在評(píng)估海洋大氣環(huán)境下，熱腐蝕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的危害，通過建模分析、評(píng)估其對(duì)性能的影響。本文作者選用CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象。研究分析海洋大氣中海鹽氣溶膠對(duì)渦輪葉片的腐蝕情況，分析腐蝕渦輪葉片對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響因素，根據(jù)CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)公開數(shù)據(jù)，運(yùn)用Turbomatch軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型，通過分組討論，分析不同腐蝕程度下，發(fā)動(dòng)機(jī)在典型的搜救任務(wù)中各階段的參數(shù)變化趨勢(shì)。

2熱腐蝕機(jī)理

熱腐蝕也叫沉積鹽腐蝕，在高溫條件下，液態(tài)沉積鹽造成金屬或合金的加速氧化和侵蝕。硫酸鈉是誘發(fā)熱腐蝕的主要成分。在海洋大氣中，海鹽氣溶膠為硫酸鈉的形成提供了充足的鈉離子來源。

2.1 海鹽氣溶膠

在海洋大氣中，質(zhì)量占比最大的粒子是海鹽粒子，其存在形式為海鹽氣溶膠（SSA）。海鹽氣溶膠在海洋氣候中扮演著重要角色，因?yàn)楹｛}粒子吸濕性和尺寸大的特性，可以作為凝結(jié)核促進(jìn)云層的形成[1]。此外，海鹽氣溶膠也會(huì)影響海洋大氣中硫元素的循環(huán)和電磁波的傳播。

海鹽氣溶膠的形成機(jī)理是，海風(fēng)攪動(dòng)表層海水形成空氣泡、飛沫水滴?？諝馀菘砷g接導(dǎo)致氣溶膠的形成。海風(fēng)與浪潮直接作用，注入大量空氣進(jìn)入浪峰中，形成白泡沫，其中含有豐富的空氣泡。一般風(fēng)速超過3m/s，就會(huì)形成白泡沫，超過15m/s，白沫會(huì)占據(jù)14%的海域面積[2]。白沫中的空氣泡破裂后，會(huì)形成數(shù)以百計(jì)的細(xì)小液滴，通常直徑都在10μm以下。這些微小粒子可在空氣中停留長達(dá)數(shù)天。氣溶膠直接形成原因之一是飛沫水滴，一般在風(fēng)速超過10m/s的時(shí)候，風(fēng)會(huì)直接撕裂浪峰，形成直徑超過10μm的飛沫水滴粒子。此類大直徑粒子在空氣中的停留時(shí)間，從幾秒鐘到數(shù)分鐘不等，取決于風(fēng)速的大小。

對(duì)于剛形成的海鹽氣溶膠，其粒子成分與海水的成分是一致的，主要包含鈉、氯、鎂、硫、鈣和鉀等離子。但是海鹽氣溶膠在生成后，氯離子與空氣中的SO2、NO2、H2SO4、O3發(fā)生反應(yīng)，會(huì)不斷流失。

2.2 熱腐蝕類型

熱腐蝕的發(fā)生位置取決于沉積鹽的附著位置，比如發(fā)電機(jī)的熱交換管、工業(yè)或航空燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片。誘發(fā)熱腐蝕的沉積鹽主要是硫酸鈉，海鹽氣溶膠里的氯化鈉或氫氧化鈉，與燃料中的硫燃燒生成的三氧化硫反應(yīng)，反應(yīng)式如下所示：

2NaCl（s）+SO3+H2O=Na2SO4（s）+2HCl ? ? ? ? ? ? （1）

熱腐蝕根據(jù)運(yùn)行溫度分為兩類：一型腐蝕和二型腐蝕。一型腐蝕，也叫高溫腐蝕（HTHC），一般發(fā)生溫度在硫酸鈉鹽的熔點(diǎn)附近及以上，850℃～950℃，腐蝕反應(yīng)從一開始就非常迅速，腐蝕率基本隨著時(shí)間呈線性上升。高溫腐蝕會(huì)造成金屬表面的均勻硫化以及內(nèi)部損傷。二型腐蝕也叫低溫腐蝕（LTHC），發(fā)生溫度在600℃～800℃。在此溫度下，硫酸鈉鹽呈現(xiàn)固態(tài)，但是部分金屬的氧化產(chǎn)物與硫酸鈉混合后，會(huì)極大地降低混合沉積鹽的熔點(diǎn)，例如硫酸鈉和硫酸鎳混合后，熔點(diǎn)從884℃降至671℃[3]。與高溫腐蝕不同，低溫腐蝕在初始階段，腐蝕率非常低，在經(jīng)過臨界點(diǎn)后，腐蝕速度會(huì)迅速提升。低溫腐蝕的表現(xiàn)是不均勻的，呈點(diǎn)狀或針狀腐蝕，如圖1所示。

2.3 熱腐蝕對(duì)葉片的影響

在腐蝕階段的前期，隨著沉積鹽的堆積以及疏松多孔的氧化物的生成，葉片表面粗糙度改變，改變了表面氣體流場，會(huì)造成部分分離層的出現(xiàn)，降低了渦輪效率，同時(shí)也會(huì)減小流通面積。

隨著腐蝕的不斷加深，表層形成的氧化物，因?yàn)槠涫杷啥嗫椎奶匦?，在氣流的沖擊下，會(huì)從葉片剝落，造成葉片表面的均勻或非均勻脫落，在增加表面粗糙度的同時(shí)，會(huì)增加流通面積，有利于空氣流量的增加。

綜上所述，熱腐蝕會(huì)降低渦輪葉片效率，對(duì)葉片流通面積的影響會(huì)隨著時(shí)間的延長而變化。

此外由于熱腐蝕侵蝕葉片內(nèi)部，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成裂痕，造成材料性能退化，降低葉片使用壽命，危害發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全。

3研究對(duì)象

3.1 CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)

本文選取通用電氣公司的CT7-8A渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，該型發(fā)動(dòng)機(jī)屬于CT7/T700發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于英國、加拿大等國的海上直升機(jī)，如西科斯基S-92、H-92超級(jí)鷹。

CT7-8A渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式采用環(huán)形進(jìn)氣裝置與粒子分離器一體化設(shè)計(jì)、5級(jí)軸流加1級(jí)離心的組合式壓氣機(jī)、短環(huán)形燃燒室、2級(jí)高壓渦輪與2級(jí)自由渦輪和環(huán)形尾噴管。根據(jù)公開數(shù)據(jù)可以查詢到該型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比、渦輪前溫度、起飛功率、最大可連續(xù)功率、耗油率等參數(shù)。本文作者根據(jù)已有公開數(shù)據(jù)，選取空氣流量為設(shè)計(jì)變量，起飛功率為設(shè)計(jì)點(diǎn)，在Turbomatch性能計(jì)算軟件中進(jìn)行擬合。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)擬合過程中，選取壓氣機(jī)喘振裕度0.85、效率為0.88、渦輪效率為0.88、燃燒室效率0.99，燃燒室壓損5%、冷卻引氣量5%，并且運(yùn)用Turbomatch中現(xiàn)有的壓氣機(jī)、渦輪特性圖，將擬合結(jié)果的耗油率與公開數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

最終設(shè)計(jì)結(jié)果：空氣流量10kg/s、功率1879kW、耗油率75.7μg/J，詳細(xì)數(shù)據(jù)可見表1，耗油率與官方數(shù)據(jù)差異只有0.4%，吻合度非常好。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率為0.306，是一個(gè)比較實(shí)際并且可接受的值。

3.2 搜救任務(wù)剖面

直升機(jī)在執(zhí)行海上搜救任務(wù)時(shí)，由于需長期在海上低空飛行，暴露在高濃度海鹽氣溶膠環(huán)境下的時(shí)間長達(dá)數(shù)小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)極易受到鹽霧腐蝕。本文作者選取如圖2所示經(jīng)典搜救任務(wù)，分為地慢、爬升（起飛）、巡航、下降（降落）、搜索和盤旋六個(gè)階段。

以搜救直升機(jī)S-92為執(zhí)行對(duì)象，結(jié)合該型直升機(jī)公開文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同階段采取不同的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略。對(duì)于爬升和下降階段，控制發(fā)動(dòng)機(jī)TET恒定。對(duì)于地慢、巡航、搜索、盤旋階段，采用恒定功率控制。本文分別選取10m、60m、600m為直升機(jī)盤旋、搜索、巡航高度。所有的發(fā)動(dòng)機(jī)性能模擬、計(jì)算均在Turbomatch中進(jìn)行，最終SAR任務(wù)剖面各階段的特性參數(shù)以及發(fā)動(dòng)機(jī)特性可見表1。

4腐蝕影響分析

4.1 分析案例選擇

值得注意的是，目前暫無方法可以在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控葉片重量變化以及無損檢測葉片內(nèi)部損傷。因此暫時(shí)無法對(duì)腐蝕程度進(jìn)行量化，并將其與性能衰減關(guān)聯(lián)起來。

鑒于腐蝕對(duì)葉片的影響主要體現(xiàn)在流通面積的變化量和高壓渦輪效率的損失上，本文作者為模擬和研究腐蝕影響，引入4組性能退化案例來模擬不同程度的葉片腐蝕，如表2所示。腐蝕程度分為三種，從輕微到中等，再到嚴(yán)重等級(jí)。案例1引進(jìn)了1%的空氣流量增加量以及1%的渦輪效率損失，是最輕微的腐蝕。案例2代表著增加2%的空氣流通量和1%的高壓渦輪效率損失。案例3和4均遭受最大4%的高壓渦輪效率降低量，但考慮到腐蝕前期沉積鹽的堆積以及腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生的疏松氧化物，會(huì)降低流道流通量，案例4選取減小5%的空氣流量，案例3增加5%的空氣流量。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

將4.1小節(jié)中4個(gè)案例的變化量分別代入發(fā)動(dòng)機(jī)模型中進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與未受腐蝕影響的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出各階段變化趨勢(shì)圖，如圖3所示。圖中數(shù)字代號(hào)分別指代表2所示案例。

從圖3可以看出，爬升和降落階段的控制策略是控制溫度TET不變，因此圖中TET無變化。對(duì)比巡航和搜索階段的1、2點(diǎn)，可以得知在保持輸出功率不變的前期下，隨著流通量的增加，需要增大TET才能滿足功率要求。對(duì)比巡航和搜索階段的3、4兩點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在同樣保持輸出功率不變的前提下，隨著流通量W的減小，TET仍然會(huì)增加。

從瞬態(tài)性能的角度來分析，對(duì)于巡航和搜索階段的1、2點(diǎn)，假設(shè)流通面積的增加是瞬間完成的，那么空氣流量增加了，但是燃油流量仍舊沒變，會(huì)導(dǎo)致TET下降，因此高壓渦輪的轉(zhuǎn)速下降，壓氣機(jī)壓比隨之下降。此時(shí)燃燒室進(jìn)口溫度降低，如果燃油流量不增加，必然會(huì)導(dǎo)致TET降低，輸出功率不足，因此如公式（2）所示，此時(shí)空氣流量降低，需增加燃油流量，提高TET才能保障輸出足夠的功率。公式中UW代表有用功，即輸出功率。

UW=W*CP*?T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

對(duì)于巡航和搜索階段的3、4點(diǎn)，仍從瞬態(tài)性能開始分析，流通量W減小，燃油流量暫未改變，TET升高，導(dǎo)致壓氣機(jī)壓比升高，空氣流量增加，此時(shí)在公式（2）中欲保持功率不變，需要降低溫升ΔT，即減少燃油供給，但壓比升高導(dǎo)致燃燒室進(jìn)口溫度增加，而且其增加幅度遠(yuǎn)大于燃油供給量減少帶來的溫降，因此從現(xiàn)象來看，TET仍舊是增加。

值得一提的是，圖3中盤旋階段1、2、3的變化趨勢(shì)非常獨(dú)特，隨著流通量的增加，TET呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。算例表明，同樣5%的流通量變化，在盤旋階段會(huì)造成11k的溫降，搜索階段是7k的溫降，同期燃油流量增加帶來的溫升是8k，因此會(huì)出現(xiàn)小功率狀態(tài)下TET上升，大功率狀態(tài)下TET下降的趨勢(shì)。

從圖4中可以推斷出，隨著流通量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加。上文已完成控制策略為恒定輸出功率的時(shí)候，燃油流量增加的機(jī)理分析?，F(xiàn)補(bǔ)充在控制TET不變的前提下，燃油流量的變化趨勢(shì)，即爬升、降落階段1-3點(diǎn)的變化趨勢(shì)。

從瞬態(tài)出發(fā)，空氣流量瞬間增加，導(dǎo)致TET降低，壓比降低，燃燒室進(jìn)口溫度隨之降低。為保證TET不變，因此需要增加燃油供給。此時(shí)壓比降低，空氣流量減小，高壓渦輪所需做功減少，自由渦輪前溫度升高，導(dǎo)致輸出功率變多，而且相比空氣流量減小帶來的輸出功率下降，溫度升高帶來的功率增加更明顯。

4點(diǎn)的流通量變小，因此各階段其油耗變化趨勢(shì)也相反，其機(jī)理相同，不再贅述。

現(xiàn)針對(duì)高壓渦輪效率的降低進(jìn)行性能參數(shù)變化趨勢(shì)分析。

在保持恒定輸出功率的時(shí)候，高壓渦輪效率降低，意味著需要高壓渦輪做功減少，壓氣機(jī)壓比降低，空氣流量降低，需要增加TET來保證輸出功率的穩(wěn)定。因此此時(shí)需增加燃油油量，其他參數(shù)如TET、空氣流量、壓比都隨之增加。需要補(bǔ)充一點(diǎn)，此時(shí)自由渦輪的轉(zhuǎn)速需要適應(yīng)性地降低才能保持輸出功率恒定。

在保持TET不變的時(shí)候，高壓渦輪效率降低，但高壓渦輪前的參數(shù)均不會(huì)產(chǎn)生任何變化。因此此種控制策略下，高壓渦輪效率降低，不會(huì)改變TET、燃油油量。

5結(jié)論

本文從海洋環(huán)境中熱腐蝕的誘發(fā)因素——海鹽氣溶膠開始研究，分析了熱腐蝕機(jī)理，總結(jié)歸納了熱腐蝕對(duì)渦輪葉片的影響，建立了CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)模型以及典型SAR任務(wù)模型，并選取了四組由熱腐蝕引起的性能衰減案例進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）熱腐蝕會(huì)造成渦輪葉片表面粗糙度增加，表層脫落，改變?nèi)~型參數(shù)。此外腐蝕反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部材料特性退化，增加葉片斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，給發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行造成巨大安全隱患。

（2）熱腐蝕給發(fā)動(dòng)機(jī)性能帶來的不利影響主要是渦輪葉片的流通量變化以及渦輪效率的降低兩個(gè)方面。

（3）在功率恒定的控制模式下，熱腐蝕造成的流通面積變化，不論增大還是減小，均會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度增加，使熱端部件工作在高溫狀態(tài)，造成葉片壽命的提前損耗。

（4）在渦輪前溫度恒定的控制策略下，熱腐蝕前期，流通面積減小時(shí)，會(huì)降低燃油消耗，而隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，葉片表層剝落，流通面積增加，燃油消耗會(huì)隨之增加。

參考文獻(xiàn)

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