航空發動機吞砂試驗標準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，西安710051；2.先進航空發動機協同創新中心，北京100191；3.西安交通大學機械工程學院，西安710049；4.中國人民解放軍95478部隊，重慶401329）

0 引言

強風將地面上的土壤顆粒卷入空中造成的視程障礙現象，包括沙塵暴、揚沙和浮塵[1]。飛機在起降過程中，發動機往往會吸入由風或飛機旋翼、尾跡揚起的浮塵或沙粒（沙粒適用于自然層面，砂粒適用于工程、礦物或制造層面，因此下文中與標準砂相關時使用砂粒，與其它自然沙相關時均使用沙粒），吸入沙粒會對發動機造成很大傷害，大的沙粒可能導致壓氣機葉片磨蝕，效率下降，而小的沙粒可能導致渦輪冷卻空氣孔堵塞并引起渦輪葉片燒蝕[2，3]，并可能進入軸承腔，污染滑油，磨蝕軸承[4-7]。為了測試發動機吞砂后的工作能力，世界幾大航空強國均將新型發動機的吞砂試驗作為設計定型的必要測試項目。早在20世紀80年代，美國GE公司就根據《發動機葉片材料耐砂蝕（顆粒侵蝕）性測試規范》（MIL-STD-3033），對TF34和CF-6發動機進行吞砂試驗；英國羅羅公司根據NATO標準完成了奧林巴斯593發動機吞砂試驗；俄羅斯也根據GOST相應標準完成了TB2-117發動機吞砂試驗，很好地檢測了航空發動機抗沙塵的能力，并以此為根據指導航空發動機的設計與制造，取得了良好的效果[8]。國內科研和工業部門敏銳地發現了這個趨勢，及時制定了相應標準，因此中國軍標《航空渦輪噴氣和渦輪風扇發動機通用規范》（GJB 241A）和《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》（GJB 242）也把新型發動機吞砂試驗規定為發動機設計定型的關鍵試驗項目之一[9]，吞砂試驗采用標準砂，由于北約NATO吞砂試驗標準與美軍標MIL-STD-3033制定方式類似，相似度較高，中國吞砂試驗軍標參考俄羅斯GOST吞砂試驗標準和美軍標MIL-STD-3033設置，而且美國的吞砂試驗標準砂應用最廣泛，因此將美國航空發動機吞砂試驗標準砂與中國典型沙粒進行形貌對比分析對吞砂試驗標準砂的應用合理性具有很強的指導意義與驗證意義。美國軍標MIL-STD-3033規定試驗用標準砂為經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GJB 1171-91規定試驗用標準砂為含SiO2成分90%以上的碎石英粉末，按粒子尺寸分布分為試驗粗砂塵和試驗細砂塵[11]。然而，上述標準中對標準砂的形貌特征要求都不明確，因此在航空學界對吞砂試驗標準砂的形貌是否對航空發動機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計表述方法——數字圖像獲取、沙粒圓度（沙粒圖片實際面積與其外接圓面積之比）分析、標尺對比與觀察統計、振動轉換與跟蹤、統計指標比較，并且對采購自美國的航空發動機吞砂試驗用標準砂與中國海南、福建廈門、騰格里沙漠和塔克拉瑪干沙漠等典型地區沙粒的形貌特征（形狀、大小、圓度、顏色）[12]進行了對比分析，為航空發動機吞砂試驗的科學性與客觀性提供了重要支撐。

1 吞砂試驗及標準砂

1.1 吞砂試驗

航空發動機吞砂試驗，是指在地面條件下，航空發動機工作在規定狀態，持續、均勻地吞入砂塵的試驗[6]。應滿足軍標確定的砂塵粒度百分比、質量和發動機工作狀態、工作時間等參數。依據吞砂試驗的結果，結合軍標規定判斷新發動機是否合格。發動機包括所有附件在內，應能在整個工作范圍內、最高5級砂塵環境（砂塵質量分數為0.053 g/m3）下正常工作；應能在最大連續功率狀態、規定的砂塵環境下總工作持續時間達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 中國標準砂與美國標準砂[10-11，13-14]

GJB 2026-1994規定吞砂試驗使用包括90%尖角結構石英砂，砂塵應做凈化處理，不含碳化物和有機物，保持砂塵干燥，必要時進行烘干處理。各顆粒大小比例見表1。

表1 GJB 2026規定試驗用砂塵粒度分配比例

試驗用砂按照規范使用石英砂，用篩網分出粒度為 900、600、400、200、125、75 μm 的砂塵，按標準百分比配制成試驗砂塵。試驗用砂配比見表2。

表2 試驗用砂塵配比

除另有規定外，試驗時發動機進口砂塵質量分數應為0.053 g/m3。

美國軍標MIL-STD-3033規定:侵蝕物是經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。使用大型工業篩網（依照ASTM E11）篩分，砂粒應該穿過直徑為240～550μm的篩孔。

2 沙粒形貌特征提取方法與特征指標

2.1 沙粒形貌特征提取方法

以美國標準砂為例說明。

在20世紀80年代之前，由于受技術限制，傳統篩分、目視、網格化測量等方法是研究分析沙粒的常用方法，誤差較大，統計也不夠全面；其后，隨著計算機技術與數字處理技術的發展，數字照相與數字圖像處理的方法運用到沙粒形態分析中，現代已經采用3維方法和化學分析方法對沙粒進行研究，由于本文只需要比較幾種沙粒形貌對航空發動機的破壞能力大小，數字照相與數字圖像處理對此類問題具有簡便快捷、分析準確、統計全面等優點[15-17]，因此本文采用該方法對沙粒的形貌特征進行統計分析。

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

（2）砂粒圓度分析。用圓度計算程序對所有照片進行處理，利用分布率表格方法統計出不同圓度區間的砂粒數目與比例（結果見表3），從而對砂粒的外形特點有直觀地認識。

圖1 美國標準砂照片（放大30倍）

表3 標準砂圓度統計

（3）標尺對比與觀察統計。觀察大量數字照片，并且與照片中的標尺照片進行比對，通過伯努利實驗方法得出砂粒的形狀、大小、顏色[12]的參數與特點，如圖2所示。

（4）振動轉換與跟蹤。隨機選取少量砂粒，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，對這些照片進行圓度處理，計算每顆砂粒不同位置圓度值的標準差，把5顆砂粒振動轉換與跟蹤所得圓度值的5個標準差值再次求標準差（結果見表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 標尺圖片（放大30倍，2條粗線間距1 mm）

表4 標準砂振動轉換與跟蹤圓度統計

標準砂圓度主要集中于0.4～0.9，大量砂粒圖片與圖中標尺對比可得標準砂粒徑集中于0.30～0.60 mm。

經觀察大量照片發現標準砂主要呈白色，形狀復雜，多為不太規則的三角形、四邊形以及橢圓形，邊緣轉角較尖銳。從表4中可見，每次振動轉換與跟蹤的標準差均很小，并且有些砂粒的多次振動轉換與跟蹤所得的圓度值較低，可以得出標準砂比較尖銳，棱角分明，且尖角分布較均勻。

2.2 標準砂的形貌特征指標

為了更加詳細地描述沙粒形態，定義以下指標:

（1）均勻度:把5顆沙粒4次敲擊跟蹤所得圓度值的標準差再次求標準差，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分布，故把1種沙粒的主要圓度分布區間在均值為0.65、標準差為1的正態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分布，故把1種沙粒的主要粒徑分布區間在均值為0.45、標準差為1的正態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。

經過計算得到:美國標準砂的均勻度為0.01894，圓度分布為0.1974，粒徑分布為0.1192。

3 中國典型地區沙粒形貌特征指標分析

3.1 典型地區沙粒形貌特征

典型地區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，沙粒振動轉換與跟蹤圓度統計結果見表9~11（塔克拉瑪干沙漠沙粒過于細小，平均粒徑比其它沙粒小1個數量級及以上，其外形對吞砂試驗的影響可以忽略不計，而且對其進行振動轉換與跟蹤圓度統計較困難，因此對該種沙粒僅進行圓度統計）。

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計

表6 廈門沙粒圓度統計

表7 海南沙粒圓度統計

表8 騰格里沙漠沙粒圓度統計

表9 廈門沙粒振動轉換與跟蹤圓度統計

表10 海南沙粒振動轉換與跟蹤圓度統計

表11 騰格里沙漠沙粒振動轉換與跟蹤圓度統計

3.2 典型地區沙粒形貌特征指標

利用上述方法計算分析得到典型地區沙粒的圓度、粒徑、形貌特征指標參數與形貌分析如下:

（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尺圖片對比可知粒徑集中于0.15～0.30 mm。

觀察大量照片發現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的打磨作用。因沙粒過于細小，故無法進行敲擊跟蹤，只對圓度進行統計。

（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尺圖片對比可知粒徑集中于0.30～0.80 mm。

觀察大量照片發現廈門沙粒主要呈白色或透明色，形狀復雜，主要是復雜多邊形，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尺圖片對比可知粒徑集中于0.20～0.90 mm，還存在少數粒徑為1.5～1.8 mm的大顆粒。

觀察大量照片發現海南沙粒主要呈白色或土黃色，形狀復雜，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尺圖片對比可知粒徑集中于0.20～0.50 mm。

觀察大量照片發現騰格里沙漠沙粒形狀比較單一，多為不規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，形貌特征指標參數匯總見表13。

表12 沙粒圓度粒徑匯總

表13 沙粒形貌特征指標參數匯總

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。

（1）圓度分布比。將1種沙粒與標準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準砂的接近程度，越接近于1說明該沙粒圓度分布與標準砂的越接近。

（2）粒徑分布比。將1種沙粒與標準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準砂的接近程度，越接近于1說明該沙粒粒徑分布與標準砂的越接近。

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論:

標準砂的圓度值分布比其它典型地區的沙粒都低，幾種典型地區的沙粒圓度分布比都較小，因此標準砂外形最尖銳，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，因此標準砂粒徑分布適中，能夠同時模擬多種砂粒環境，適合進行吞砂試驗。

4 結束語

GJB2026-1994《航空渦噴渦扇發動機吞砂試驗要求》和GJB242-1987《航空渦輪螺槳和渦輪軸發動機通用規范》等軍標在保證實際試驗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行圓度處理和數理統計的方法對試驗標準砂及典型地區沙粒（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準砂）的形貌特征（形狀、大小、圓度、顏色）進行了分析，并利用均勻度、圓度分布比、粒徑分布比等參數比較了其形態特點，得出以下結論:標準砂外形最尖銳，不同粒徑的砂塵均按要求嚴格配比，與軍標規定的材質要求結合起來基本能模擬自然環境下航空發動機遭受的所有嚴重吞砂損傷情況，試驗表明利用標準砂進行航空發動機吞砂試驗時對發動機的損傷最嚴重，因此可以一次性檢驗航空發動機吞砂能力，排除試驗情況紛繁的干擾，同時也提高了發動機的安全工作裕度，最大程度地保證了發動機的安全使用。

本文的研究方法和結論完善了軍標中相關內容，為航空發動機吞砂試驗用砂的合理性提供了有力的論證。