某型航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)吞砂試驗(yàn)研究

陳 嶺，劉知理，劉引峰

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

直升機(jī)在起降或低空飛行時(shí)，受旋翼“下洗流”的影響，地面顆粒被大量吹起并懸浮于空氣中，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于砂塵包圍中，砂塵易被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入，造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流道磨損，引起其性能惡化、壽命衰減、甚至影響飛行安全[1]。GJB242-1987規(guī)定，吞砂試驗(yàn)是新型發(fā)動(dòng)機(jī)摸底和定型的重要試驗(yàn)項(xiàng)目之一。

早在30年前，美國(guó)GE和英國(guó)RR等公司進(jìn)行了TF34、CF-6和奧林巴斯593等型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的吞砂試驗(yàn)研究[2]。如M.G.Dunn等利用2臺(tái)IF33渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和J57渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在不同設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置模擬的塵埃環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)后壓比、燃?xì)鉁u輪排氣溫度和耗油率均惡化，在高海拔情況下容易發(fā)生喘振和熄火。近年Sebastien Wylie等[3]對(duì)典型的高壓渦輪葉片冷卻氣摻入火山灰，利用試驗(yàn)確定了灰樣閾值溫度、顆粒大小分布、葉片金屬溫度、灰樣成分及冷卻膜孔內(nèi)的壓比；Adel Ghenaiet[4]對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇吸收的顆粒進(jìn)行建模，大量的粒子在前緣和后緣和壓力面附近撞擊，導(dǎo)致從根到尖的前緣和后緣受到明顯侵蝕，高侵蝕區(qū)域占據(jù)近3/4的葉片高度。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)吞砂環(huán)境試驗(yàn)起步較晚，主要研究成果為砂塵環(huán)境對(duì)粒子分離器的影響規(guī)律。李潔瓊[5]通過(guò)所設(shè)計(jì)的3維可調(diào)粒子分離器模型進(jìn)行系統(tǒng)的性能試驗(yàn)研究，獲得主流流量、壓比、進(jìn)口馬赫數(shù)、軸向位置、徑向位置、粒子分離器型面、粒徑大小和粒子濃度變化對(duì)分離效率的影響規(guī)律。近年來(lái)也開(kāi)展了一系列發(fā)動(dòng)機(jī)吞砂試驗(yàn)，如馬昌[6]介紹了1種吞砂試驗(yàn)方法，介紹吞砂設(shè)備、試驗(yàn)用砂配比、試車程序等，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

雖然對(duì)吞砂試驗(yàn)有了一定的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)積累，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文針對(duì)軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際需求，根據(jù)GJB 241、GJB 242及相關(guān)資料，進(jìn)行吞砂試驗(yàn)研究[7-9]。

1 試驗(yàn)要求

國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB242-1987中要求渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)進(jìn)行吞砂試驗(yàn)。根據(jù)這一要求及《某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)規(guī)范》規(guī)定，本次試驗(yàn)用砂的粒度分配[10-12]要求見(jiàn)表1；發(fā)動(dòng)機(jī)包括所有附件在內(nèi)，在空氣含砂塵濃度為0.053 g/m3的地面環(huán)境下[12]，應(yīng)能在規(guī)定的砂塵濃度及最大連續(xù)狀態(tài)下工作至少10 h，完成規(guī)定的試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)不能熄火和發(fā)生因喘振導(dǎo)致的停車；最后進(jìn)行性能檢查，換算到海平面、靜止和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，最大連續(xù)狀態(tài)功率損失不大于10%，單位燃油消耗量增加不超過(guò)7.5%；同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠完成功率變換。性能檢查后將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行足夠的分解，以便進(jìn)行檢查，在試驗(yàn)中未出現(xiàn)損傷或者有害的擦傷，性能未惡化，燃?xì)饬髀返牧慵磽p壞，則認(rèn)為滿意完成試驗(yàn)。

表1 砂塵的粒度分配

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，由粒子分離器、壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪及附件傳動(dòng)機(jī)匣組件等組成。

2.2 投砂裝置

投砂裝置用于向發(fā)動(dòng)機(jī)投放試驗(yàn)粗砂和試驗(yàn)細(xì)砂，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際使用中吸入砂塵的狀態(tài)，投砂裝置主要由電機(jī)、混合器、分配器和環(huán)形管（包含噴口及反射器）等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 投砂裝置

圖2 投砂環(huán)形噴管

通過(guò)環(huán)形管上的隔壁、噴口和反射器使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口截面的砂塵濃度和分散性均勻分布。投砂裝置使用高壓氣將砂塵打入發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)時(shí)盡量模擬砂塵在真實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)，保證試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境和自然砂塵環(huán)境差異不大。投砂量取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)量筒絲桿，與氣源輸出壓力大小無(wú)關(guān)。在試驗(yàn)過(guò)程中投砂裝置電機(jī)工作轉(zhuǎn)速恒定，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速后投砂流量保持不變。經(jīng)驗(yàn)證：投砂量與絲桿轉(zhuǎn)速成以下線性關(guān)系

式中：Gn為投砂流量，g/s；Nx為絲桿轉(zhuǎn)速，r/min；Nd為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

因此，只要調(diào)節(jié)投砂裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可保證吞砂試驗(yàn)所需供砂量。

3 試驗(yàn)程序及用砂確定

3.1 試驗(yàn)程序

根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求，先進(jìn)行性能錄取試驗(yàn)，然后進(jìn)行吞砂試驗(yàn)，每小時(shí)為1個(gè)階段，每2個(gè)階段試驗(yàn)結(jié)束后依次進(jìn)行孔探儀檢查、發(fā)動(dòng)機(jī)清洗及性能錄取，每階段試驗(yàn)程序如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)程序

3.2 試驗(yàn)用砂量確定

根據(jù)當(dāng)前大氣壓力p，溫度及流量得到當(dāng)前的空氣密度ρ[6-9]

每次性能校準(zhǔn)時(shí)實(shí)際測(cè)量空氣流量為Wa1，則最大連續(xù)的體積流量為

吞砂流量為

數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用砂確定

4 試驗(yàn)結(jié)果

按試驗(yàn)要求完成性能錄取、校準(zhǔn)、10 h吞砂試驗(yàn)、孔探儀檢查、發(fā)動(dòng)機(jī)清洗和發(fā)動(dòng)機(jī)分解等相關(guān)工作，對(duì)吞砂前后的性能錄取數(shù)據(jù)分析及分解數(shù)據(jù)整理如圖4～8所示。

從圖4中可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率呈不斷衰減趨勢(shì)，在前2 h吞砂時(shí)功率衰減最快，最后2 h較為平緩，是因?yàn)樵谇? h吞砂后壓氣機(jī)盤(pán)葉片前緣在吞砂時(shí)有磨損痕跡，呈鋸齒狀，隨吞砂時(shí)間的增加，盤(pán)葉尖前緣初磨損程度加大，且在部分位置出現(xiàn)小缺口[13-14]。

圖4 功率－吞砂時(shí)間變化曲線

圖5 某級(jí)葉片吞砂前、后比較

圖6 耗油率－吞砂時(shí)間變化曲線

圖7 燃?xì)鉁u輪出口總溫－吞砂時(shí)間變化曲線

圖8 吞砂前后功率與燃?xì)鉁u輪出口總溫變化曲線

從圖5中可見(jiàn)葉片試驗(yàn)前、后磨損情況。黑色為試驗(yàn)前的輪廓線，紅色為試驗(yàn)?zāi)p后的輪廓線。這種變化改變了壓氣機(jī)氣流攻角和氣流通道面積；改變了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)、靜子葉片間的間隙，導(dǎo)致壓氣機(jī)效率不斷降低，流量減小，從而使功率降低[15]。

從圖6中可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率隨吞砂時(shí)間的累計(jì)而升高，在吞砂前2 h耗油率快速升高，運(yùn)行4 h后耗油率的升高速率較為穩(wěn)定。吞砂2 h后發(fā)現(xiàn)火焰筒內(nèi)、外環(huán)第1道氣膜槽內(nèi)壁有砂粒附著，內(nèi)、外環(huán)主燃孔處（內(nèi)壁）沿氣流方向有吸附物，吞砂使燃燒室的燃燒效率及渦輪工作效率降低，導(dǎo)致耗油率升高。

從圖7中可見(jiàn)，燃?xì)鉁u輪出口總溫在吞砂2 h增加較快，吞砂4 h以后增速較為平緩，吞砂累計(jì)10 h后發(fā)現(xiàn)，燃?xì)鉁u輪葉片前緣有少量砂粒吸附，動(dòng)力渦輪葉片前緣有發(fā)亮現(xiàn)象，葉尖輕微刮磨，工作葉片外流道有少量砂粒吸附，這是由于二氧化硅在高溫下融化，一部分粘結(jié)在燃燒室上，另一部分隨氣流附著在渦輪葉片上，渦輪葉片氣膜孔堵塞、冷卻效果降低；結(jié)合圖6中耗油率趨勢(shì)可知，吞砂時(shí)間越長(zhǎng)，燃?xì)鉁u輪出口總溫越高[16]。

圖8給出了吞砂前后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的對(duì)比，在同樣的功率下，吞砂試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪出口總溫比吞砂試驗(yàn)前約高4.3%。

5 結(jié)論

按理論計(jì)算，10 h吞砂試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)吞砂7480 g，實(shí)際為7514 g，偏差為34 g，約為0.45%。

（1）對(duì)比吞砂前后，發(fā)動(dòng)機(jī)功率衰減9.9%，耗油率增加4.6%，滿足試驗(yàn)要求。驗(yàn)證了投砂裝置的準(zhǔn)確性及試驗(yàn)的可行性。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)在吞砂試驗(yàn)中功率衰減、耗油率增加、燃?xì)鉁u輪出口總溫升高，在吞砂前2 h變化速率較快，隨吞砂時(shí)間增加變化速率放緩。

（3）由于砂粒對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部件均有一定磨損，磨損的速率與濃度無(wú)關(guān)，與總吞砂量相關(guān)。

目前尚無(wú)各部件吞砂性能衰減數(shù)據(jù)積累，本次試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)有限，對(duì)于各部件與全流道內(nèi)的變化還需進(jìn)一步探究。