某型航空渦軸發動機吞砂試驗研究

陳 嶺，劉知理，劉引峰

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲412002）

0 引言

直升機在起降或低空飛行時，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，使發動機處于砂塵包圍中，砂塵易被發動機吸入，造成發動機內部流道磨損，引起其性能惡化、壽命衰減、甚至影響飛行安全[1]。GJB242-1987規定，吞砂試驗是新型發動機摸底和定型的重要試驗項目之一。

早在30年前，美國GE和英國RR等公司進行了TF34、CF-6和奧林巴斯593等型號發動機的吞砂試驗研究[2]。如M.G.Dunn等利用2臺IF33渦扇發動機和J57渦輪噴氣發動機，在不同設計試驗裝置模擬的塵埃環境下進行試驗，測得試驗后壓比、燃氣渦輪排氣溫度和耗油率均惡化，在高海拔情況下容易發生喘振和熄火。近年Sebastien Wylie等[3]對典型的高壓渦輪葉片冷卻氣摻入火山灰，利用試驗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的壓比；Adel Ghenaiet[4]對渦輪發動機風扇吸收的顆粒進行建模，大量的粒子在前緣和后緣和壓力面附近撞擊，導致從根到尖的前緣和后緣受到明顯侵蝕，高侵蝕區域占據近3/4的葉片高度。

國內開展發動機吞砂環境試驗起步較晚，主要研究成果為砂塵環境對粒子分離器的影響規律。李潔瓊[5]通過所設計的3維可調粒子分離器模型進行系統的性能試驗研究，獲得主流流量、壓比、進口馬赫數、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分離效率的影響規律。近年來也開展了一系列發動機吞砂試驗，如馬昌[6]介紹了1種吞砂試驗方法，介紹吞砂設備、試驗用砂配比、試車程序等，并依據試驗結果對試驗方法進行評價。

雖然對吞砂試驗有了一定的經驗與技術積累，但還遠遠不夠。本文針對軍用航空發動機實際需求，根據GJB 241、GJB 242及相關資料，進行吞砂試驗研究[7-9]。

1 試驗要求

國家軍用標準GJB242-1987中要求渦軸發動機應進行吞砂試驗。根據這一要求及《某型渦軸發動機型號規范》規定，本次試驗用砂的粒度分配[10-12]要求見表1；發動機包括所有附件在內，在空氣含砂塵濃度為0.053 g/m3的地面環境下[12]，應能在規定的砂塵濃度及最大連續狀態下工作至少10 h，完成規定的試驗，試驗過程中發動機不能熄火和發生因喘振導致的停車；最后進行性能檢查，換算到海平面、靜止和標準大氣條件下，最大連續狀態功率損失不大于10%，單位燃油消耗量增加不超過7.5%；同時發動機能夠完成功率變換。性能檢查后將發動機進行足夠的分解，以便進行檢查，在試驗中未出現損傷或者有害的擦傷，性能未惡化，燃氣流路的零件未損壞，則認為滿意完成試驗。

表1 砂塵的粒度分配

2 試驗設備

2.1 試驗對象

試驗對象為某型渦軸發動機，由粒子分離器、壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪、動力渦輪及附件傳動機匣組件等組成。

2.2 投砂裝置

投砂裝置用于向發動機投放試驗粗砂和試驗細砂，模擬發動機在實際使用中吸入砂塵的狀態，投砂裝置主要由電機、混合器、分配器和環形管（包含噴口及反射器）等零部件組成，其結構如圖1、2所示。

圖1 投砂裝置

圖2 投砂環形噴管

通過環形管上的隔壁、噴口和反射器使進入發動機進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動機。設計時盡量模擬砂塵在真實環境中的狀態，保證試驗模擬環境和自然砂塵環境差異不大。投砂量取決于電機轉速，電機通過減速器帶動量筒絲桿，與氣源輸出壓力大小無關。在試驗過程中投砂裝置電機工作轉速恒定，設定電機轉速后投砂流量保持不變。經驗證：投砂量與絲桿轉速成以下線性關系

式中：Gn為投砂流量，g/s；Nx為絲桿轉速，r/min；Nd為電機轉速，r/min。

因此，只要調節投砂裝置電機轉速，即可保證吞砂試驗所需供砂量。

3 試驗程序及用砂確定

3.1 試驗程序

根據試驗技術要求，先進行性能錄取試驗，然后進行吞砂試驗，每小時為1個階段，每2個階段試驗結束后依次進行孔探儀檢查、發動機清洗及性能錄取，每階段試驗程序如圖3所示。

圖3 發動機試驗程序

3.2 試驗用砂量確定

根據當前大氣壓力p，溫度及流量得到當前的空氣密度ρ[6-9]

每次性能校準時實際測量空氣流量為Wa1，則最大連續的體積流量為

吞砂流量為

數據記錄及計算結果見表2。

表2 試驗用砂確定

4 試驗結果

按試驗要求完成性能錄取、校準、10 h吞砂試驗、孔探儀檢查、發動機清洗和發動機分解等相關工作，對吞砂前后的性能錄取數據分析及分解數據整理如圖4～8所示。

從圖4中可見，發動機功率呈不斷衰減趨勢，在前2 h吞砂時功率衰減最快，最后2 h較為平緩，是因為在前2 h吞砂后壓氣機盤葉片前緣在吞砂時有磨損痕跡，呈鋸齒狀，隨吞砂時間的增加，盤葉尖前緣初磨損程度加大，且在部分位置出現小缺口[13-14]。

圖4 功率－吞砂時間變化曲線

圖5 某級葉片吞砂前、后比較

圖6 耗油率－吞砂時間變化曲線

圖7 燃氣渦輪出口總溫－吞砂時間變化曲線

圖8 吞砂前后功率與燃氣渦輪出口總溫變化曲線

從圖5中可見葉片試驗前、后磨損情況。黑色為試驗前的輪廓線，紅色為試驗磨損后的輪廓線。這種變化改變了壓氣機氣流攻角和氣流通道面積；改變了壓氣機轉、靜子葉片間的間隙，導致壓氣機效率不斷降低，流量減小，從而使功率降低[15]。

從圖6中可見，發動機的耗油率隨吞砂時間的累計而升高，在吞砂前2 h耗油率快速升高，運行4 h后耗油率的升高速率較為穩定。吞砂2 h后發現火焰筒內、外環第1道氣膜槽內壁有砂粒附著，內、外環主燃孔處（內壁）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，導致耗油率升高。

從圖7中可見，燃氣渦輪出口總溫在吞砂2 h增加較快，吞砂4 h以后增速較為平緩，吞砂累計10 h后發現，燃氣渦輪葉片前緣有少量砂粒吸附，動力渦輪葉片前緣有發亮現象，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；結合圖6中耗油率趨勢可知，吞砂時間越長，燃氣渦輪出口總溫越高[16]。

圖8給出了吞砂前后發動機的性能的對比，在同樣的功率下，吞砂試驗后發動機燃氣渦輪出口總溫比吞砂試驗前約高4.3%。

5 結論

按理論計算，10 h吞砂試驗應當吞砂7480 g，實際為7514 g，偏差為34 g，約為0.45%。

（1）對比吞砂前后，發動機功率衰減9.9%，耗油率增加4.6%，滿足試驗要求。驗證了投砂裝置的準確性及試驗的可行性。

（2）發動機在吞砂試驗中功率衰減、耗油率增加、燃氣渦輪出口總溫升高，在吞砂前2 h變化速率較快，隨吞砂時間增加變化速率放緩。

（3）由于砂粒對發動機各部件均有一定磨損，磨損的速率與濃度無關，與總吞砂量相關。

目前尚無各部件吞砂性能衰減數據積累，本次試驗的測量數據有限，對于各部件與全流道內的變化還需進一步探究。