艦載機(jī)發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗(yàn)

柴 政，武曉龍，邢 洋，李兆紅，劉佳鑫

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所，遼寧沈陽 110015；2.海軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，遼寧沈陽 110015）

由于艦載機(jī)長期工作在海洋大氣環(huán)境中，高溫、高濕、高鹽以及艦船尾氣會對其金屬材料造成較強(qiáng)腐蝕。受此影響，艦載機(jī)發(fā)動機(jī)的氣動性能與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯降低，使用壽命也大大縮短，這對艦載機(jī)發(fā)動機(jī)的耐腐蝕能力提出了極高的要求。對艦載機(jī)發(fā)動機(jī)開展腐蝕敏感性試驗(yàn)，驗(yàn)證其是否具有良好的抗腐蝕能力，對確保飛行安全具有重要的意義。

國外在航空發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗(yàn)方面的研究工作開展較早。其中，美國和英國已形成了較為完善的腐蝕敏感性試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。在國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我國雖也初步形成了腐蝕敏感性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但在發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗(yàn)方面的研究工作開展甚少，大部分還處于理論分析階段。任智勇等從理論方面分析濕熱環(huán)境對發(fā)動機(jī)性能影響的機(jī)理和程度，建立了渦軸發(fā)動機(jī)的部件級熱力學(xué)性能計(jì)算模型，對該影響進(jìn)行定量計(jì)算；趙朋飛等歸納出室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜的編制方法，得到面向裝備服役島礁大氣環(huán)境的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜；劉元海等開展了典型海洋大氣環(huán)境加速腐蝕環(huán)境譜和腐蝕防護(hù)控制等方面的研究。

為了更好地適應(yīng)海洋大氣環(huán)境，某艦載機(jī)發(fā)動機(jī)采取了更換部分部件材料和增加三防涂層等措施，以提高其腐蝕防護(hù)與控制能力。為驗(yàn)證發(fā)動機(jī)是否具有高腐蝕防護(hù)與控制能力，本文在搜集整理國內(nèi)外腐蝕敏感性試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鹽霧發(fā)生系統(tǒng)，制定了試驗(yàn)環(huán)境保證方案，并開展發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析了腐蝕敏感性試驗(yàn)前后發(fā)動機(jī)性能變化情況及部件腐蝕情況，以期為其他型號渦扇發(fā)動機(jī)開展腐蝕敏感性試驗(yàn)提供借鑒。

1 腐蝕敏感性試驗(yàn)鹽霧系統(tǒng)

為了開展腐蝕敏感性試驗(yàn)，特設(shè)計(jì)了腐蝕敏感性試車臺，它能夠進(jìn)行常規(guī)試車和腐蝕敏感性試車。試車臺具備腐蝕敏感性試驗(yàn)專用設(shè)備（如鹽霧罩、鹽霧發(fā)生裝置、純水生成系統(tǒng)、儲存罐等）。腐蝕敏感性試車臺鹽霧系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 腐蝕敏感性試車臺鹽霧系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of salt mist system for corrosion susceptibility test bay

該系統(tǒng)按功能可分為純水制造、鹽液配置、動態(tài)試驗(yàn)裝置和靜態(tài)試驗(yàn)裝置4部分。

純水制造。試驗(yàn)所用蒸餾水由純水發(fā)生裝置經(jīng)過二級反滲透高純水處理生成，因《航空渦輪噴氣和風(fēng)扇發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB 241A—2010）未對試驗(yàn)用蒸餾水水質(zhì)作出規(guī)定，故參考其他軍用裝備抗腐蝕試驗(yàn)規(guī)范，制造的蒸餾水水質(zhì)符合《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法鹽霧試驗(yàn)》（GJB150.11—86）要求。

鹽液配置。試驗(yàn)前，在配置罐中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)鹽液和蒸餾水的稀釋配置，按不同的稀釋比例將試驗(yàn)所需鹽液分別儲存于濃鹽罐和稀鹽罐內(nèi)。

動態(tài)試驗(yàn)裝置。動態(tài)試驗(yàn)時，發(fā)動機(jī)處于開放環(huán)境下，由進(jìn)氣補(bǔ)水裝置、進(jìn)氣噴鹽環(huán)、外部噴鹽環(huán)系統(tǒng)共同投入工作。其中，進(jìn)氣噴鹽系統(tǒng)、進(jìn)氣補(bǔ)水裝置負(fù)責(zé)滿足發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的鹽霧和濕度要求，外部噴鹽環(huán)系統(tǒng)負(fù)責(zé)滿足發(fā)動機(jī)外表面附件的鹽霧環(huán)境要求。動態(tài)試驗(yàn)所用噴嘴可霧化出平均直徑不大于25 μm的鹽霧。動態(tài)試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)會在多個不同的工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量及外部氣流速度會隨著工作狀態(tài)的變化而改變。為保證發(fā)動機(jī)進(jìn)口及外部的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足試驗(yàn)要求，需要動態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)氣噴鹽環(huán)和外部噴鹽環(huán)的流量。為此，為進(jìn)氣噴鹽環(huán)和外部噴鹽環(huán)設(shè)置了不同的流量檔位，在試驗(yàn)開始前，根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)在不同工作狀態(tài)下的進(jìn)氣流量和外部流速對檔位流量進(jìn)行設(shè)置，在動態(tài)試驗(yàn)過程中，操作人員根據(jù)發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)手動切換檔位。

靜態(tài)試驗(yàn)裝置。靜態(tài)試驗(yàn)時，發(fā)動機(jī)處于密閉環(huán)境內(nèi)，靜態(tài)鹽霧發(fā)生裝置和靜態(tài)霧化裝置投入工作，負(fù)責(zé)滿足試驗(yàn)所要求的濕度、鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)等環(huán)境要求。為確保試驗(yàn)環(huán)境模擬的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前，對靜態(tài)試驗(yàn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，開啟靜態(tài)鹽霧發(fā)生裝置和靜態(tài)霧化裝置，測量試驗(yàn)裝置內(nèi)空氣中的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)測量結(jié)果對鹽液稀釋比例進(jìn)行修正。

2 試驗(yàn)方案

2.1 動態(tài)環(huán)境模擬方案（第1階段）

動態(tài)試驗(yàn)要求發(fā)動機(jī)在溫度大于10 ℃、相對濕度不小于73%的環(huán)境下，完成第1 階段的3 h 試車程序。該階段，試驗(yàn)發(fā)動機(jī)處于開放環(huán)境中，進(jìn)氣條件為大氣環(huán)境，因此，試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)近年來的氣象資料，確定試驗(yàn)窗口期。

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣環(huán)境的濕度要求，由空氣霧化噴嘴噴射蒸餾水和稀釋后的鹽溶液實(shí)現(xiàn)。噴射的蒸餾水和鹽溶液的比例，根據(jù)目標(biāo)濕度與環(huán)境濕度差值進(jìn)行確定。動態(tài)噴霧環(huán)的噴嘴布局經(jīng)過FLUENT中DPM模型的優(yōu)化驗(yàn)證，確保進(jìn)氣鹽霧均勻。

試驗(yàn)前，根據(jù)環(huán)境溫度、相對濕度以及相對濕度和絕對濕度的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)濕度所需的補(bǔ)水流量。為保證發(fā)動機(jī)在動態(tài)試驗(yàn)中吸入的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足要求，根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量、補(bǔ)水流量計(jì)算出試驗(yàn)所需鹽的固體質(zhì)量，隨后按GJB 241A—2010鹽液配比要求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)鹽液的配置，確定試驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)鹽液。最后，將計(jì)算所得標(biāo)準(zhǔn)鹽液按1 ∶400 進(jìn)行稀釋，由進(jìn)氣噴鹽系統(tǒng)中的空氣霧化噴嘴噴入發(fā)動機(jī)流道，當(dāng)稀釋后增加的水量不足以滿足試驗(yàn)所需補(bǔ)水量時，剩余補(bǔ)水量將由進(jìn)氣補(bǔ)水裝置提供。

發(fā)動機(jī)外表面鹽霧噴射實(shí)現(xiàn)的原理與動態(tài)試驗(yàn)的進(jìn)氣噴鹽原理相同，均是由稀釋后的鹽液經(jīng)霧化噴嘴噴入空氣與氣流摻混實(shí)現(xiàn)。

2.2 靜態(tài)環(huán)境模擬方案（第3、4階段）

在靜態(tài)試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)存放于密閉空間內(nèi)，4臺獨(dú)立循環(huán)風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)表面流速的控制。在循環(huán)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，設(shè)有電加溫裝置，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度恒溫控制。靜態(tài)試驗(yàn)中，發(fā)動機(jī)所處環(huán)境的濕度可通過2套超聲波霧化發(fā)生器實(shí)現(xiàn)：1套是以噴射稀鹽罐中鹽溶液來增加空氣濕度和鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)；另1 套是以噴射純水罐中純水來增加環(huán)境濕度。在靠近發(fā)動機(jī)進(jìn)口端設(shè)有濕度傳感器，負(fù)責(zé)環(huán)境濕度的動態(tài)閉環(huán)控制。

靜態(tài)試驗(yàn)中，根據(jù)環(huán)境初始濕度與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)濕度的含濕量差值，計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)濕度和目標(biāo)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)狀態(tài)下的所需鹽液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并按此進(jìn)行控制。在第3 階段靜態(tài)試驗(yàn)前，將鹽霧罩內(nèi)的初始環(huán)境控制為溫度30 ℃以上、相對濕度70%。

試驗(yàn)前將標(biāo)準(zhǔn)鹽液按1 ∶900 進(jìn)行稀釋，根據(jù)目標(biāo)濕度和初始狀態(tài)含濕量差值與稀釋后鹽溶液的含鹽量，計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)濕度時鹽霧罩內(nèi)的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算公式如下：

式（3）中，為鹽霧罩內(nèi)鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.3 試驗(yàn)環(huán)境測試方案

試驗(yàn)過程中利用采樣泵對鹽霧空氣進(jìn)行采樣，采得的空氣樣品被采樣瓶中純水吸收，采用電化學(xué)分析法對采樣瓶內(nèi)水溶液鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，計(jì)算出空氣中的鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 腐蝕敏感性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為混合排氣小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，為某原型發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型發(fā)動機(jī)。

3.2 試驗(yàn)程序

根據(jù)GJB 241A—2010 規(guī)定：發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗(yàn)包括50 個循環(huán)，每個循環(huán)24 h，總的試驗(yàn)時間為1 200 h，發(fā)動機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)時間150 h。本試驗(yàn)程序和試驗(yàn)環(huán)境均按該標(biāo)準(zhǔn)制定。由于本次試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)已工作較長時間，因此，對試驗(yàn)時數(shù)進(jìn)行裁減，確定本次試驗(yàn)進(jìn)行25 個循環(huán)，總時數(shù)為600 h。每個循環(huán)分為4 個階段，其中：第1 階段發(fā)動機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；第2、3、4階段發(fā)動機(jī)均處于靜置狀態(tài)。各階段的環(huán)境溫度、相對濕度和鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件有所差異。每個循環(huán)的階段劃分和環(huán)境模擬要求，如表1所示。

表1 腐蝕敏感性試驗(yàn)循環(huán)程序Tab.1 Cycle program of corrosion susceptibility testing

試驗(yàn)開始前，先分解發(fā)動機(jī)，檢查所有零件表面狀況并拍攝零件的細(xì)節(jié)照片。試驗(yàn)完成后，再次分解發(fā)動機(jī)并檢查有無腐蝕痕跡。若有，將所有腐蝕的零件進(jìn)行細(xì)節(jié)拍照，并提供判斷腐蝕類型特性的試驗(yàn)樣品實(shí)物或冶金分析。

3.3 試驗(yàn)方法

每個試驗(yàn)按照第1、第2、第3和第4階段的順序依次循環(huán)開展。

第1 階段：本階段為發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)程序，是連續(xù)的3 h 試車程序，包括慢車狀態(tài)、節(jié)流狀態(tài)、中間狀態(tài)和全加力狀態(tài)。在試驗(yàn)前，將發(fā)動機(jī)與進(jìn)氣筒、進(jìn)氣補(bǔ)水裝置進(jìn)行連接。當(dāng)發(fā)動機(jī)起動至慢車穩(wěn)定狀態(tài)，動態(tài)鹽霧系統(tǒng)正常工作時，發(fā)動機(jī)便進(jìn)入該循環(huán)試驗(yàn)的第1階段。

第2階段：本階段發(fā)動機(jī)停放于大氣環(huán)境溫度下，可在此階段進(jìn)行發(fā)動機(jī)必要的檢查工作。

第3階段：本階段前進(jìn)行鹽霧罩安裝、測點(diǎn)安裝連接、密封性檢查等機(jī)械安裝準(zhǔn)備工作。完成準(zhǔn)備工作后，根據(jù)第3階段初始環(huán)境和目標(biāo)濕度狀態(tài)，開啟風(fēng)機(jī)以及靜態(tài)霧化發(fā)生裝置對鹽霧罩內(nèi)環(huán)境加濕、噴鹽霧。該階段持續(xù)時間為7 h，鹽霧發(fā)生裝置閉環(huán)調(diào)節(jié)鹽霧發(fā)生量，確保試驗(yàn)環(huán)境滿足試驗(yàn)要求。

第4階段：試驗(yàn)前打開排風(fēng)口，進(jìn)行10 min通風(fēng)排空準(zhǔn)備工作。完成排空后，開啟加濕裝置和加溫裝置。該階段持續(xù)時間為12 h，靜態(tài)鹽霧發(fā)生裝置通過監(jiān)控鹽霧罩內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)，對發(fā)動機(jī)環(huán)境的溫度、濕度進(jìn)行閉環(huán)控制，以確保試驗(yàn)環(huán)境滿足試驗(yàn)要求。當(dāng)完成第4 階段試驗(yàn)后，進(jìn)行下一個循環(huán)的第1階段試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

完成腐蝕敏感性試驗(yàn)后，發(fā)動機(jī)下臺分解，進(jìn)氣機(jī)匣、中介機(jī)匣、主燃燒室和外部部分螺栓等小零件出現(xiàn)不同程度銹蝕，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)后燃油管卡箍和螺栓Fig.2 Clamp and bolt of the fuel pipe after the test

主要零部件和成附件未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕痕跡。風(fēng)扇靜子葉片、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子及高壓渦輪工作葉片等主要流道件表面均有不同程度的鹽霧結(jié)晶附著，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.3 Compressor rotor after the test

如圖4所示，試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)低狀態(tài)相同低壓換算轉(zhuǎn)速下的換算推力基本相當(dāng)，高狀態(tài)相同低壓換算轉(zhuǎn)速下，第25 循環(huán)的換算推力較第1 循環(huán)下降約4%，圖4 中，為低壓換算轉(zhuǎn)速，為換算推力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)已作歸一化處理，僅給出相對變化關(guān)系，下同。

圖4 各循環(huán)Fr-n1r 對比Fig.4 Comparison of Fr-n1r between each cycle

如圖5 所示，發(fā)動機(jī)排氣溫度水平隨試驗(yàn)的進(jìn)行而逐漸上升。高狀態(tài)下，第25循環(huán)較第1循環(huán)在相同換算推力下?lián)Q算排氣溫度上升約5.5%，換算排氣溫度上升量明顯大于發(fā)動機(jī)常規(guī)臺架試驗(yàn)的水平，圖5中，為換算排氣溫度。

圖5 各循環(huán)T6r-Fr 對比Fig.5 Comparison of T6r-Fr between each cycle

如圖6、7所示，試驗(yàn)過程中，在高狀態(tài)相同低壓換算轉(zhuǎn)速下，第25循環(huán)較第1循環(huán)高壓壓氣機(jī)后換算壓力下降約6%，低壓渦輪后換算壓力下降約4%。圖6、7 中，為高壓壓氣機(jī)后換算壓力，為低壓渦輪后換算壓力。

圖6 各循環(huán)n1r-P31r 對比Fig.6 Comparison of n1r-P31r between each cycle

圖7 各循環(huán)n1r-P6r 對比Fig.7 Comparison of n1r-P6r between each cycle

綜合來看，本次試驗(yàn)后，發(fā)動機(jī)性能衰減幅度較大，從分解檢查結(jié)果來看，主要流道件表面均有不同程度的鹽霧結(jié)晶附著。鹽霧結(jié)晶附著會導(dǎo)致壓氣機(jī)表面粗糙度增加，從而增加壓氣機(jī)在工作時的附面層厚度。與此同時，鹽霧結(jié)晶附著也會導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片型面發(fā)生變化，從而偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。這2 種因素的疊加導(dǎo)致壓氣機(jī)的特性發(fā)生變化，造成流量、壓比和效率的下降。同樣，鹽霧結(jié)晶的附著也造成了渦輪工作葉片表面粗糙度增加和葉型變化，導(dǎo)致渦輪效率的下降，做功能力降低。壓氣機(jī)和渦輪工作特性的惡化最終導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整機(jī)性能惡化，排氣溫度水平上升。尤其在發(fā)動機(jī)中間及以上狀態(tài)，由于限溫導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)速下降，發(fā)動機(jī)推力明顯降低。

受試驗(yàn)環(huán)境溫度和試驗(yàn)設(shè)備等因素限制，試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)結(jié)束后均未進(jìn)行整機(jī)流道清洗。

4 結(jié)論

基于某艦載機(jī)發(fā)動機(jī)完成了腐蝕敏感性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)合理可行，可為其他型號腐蝕敏感性試驗(yàn)提供借鑒。試驗(yàn)后：除部分小零件出現(xiàn)不同程度腐蝕外，發(fā)動機(jī)主要零部件和成附件未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕痕跡；主要流道件表面有不同程度的鹽霧結(jié)晶附著；發(fā)動機(jī)性能衰減幅度較大，相同換算推力下排氣溫度上升約5.5%。建議其他型號發(fā)動機(jī)開展腐蝕敏感性試驗(yàn)時進(jìn)行流道清洗以恢復(fù)發(fā)動機(jī)性能。