熱腐蝕對航空渦軸發動機性能影響的研究

黃興隆

摘 要：在沙塵和鹽霧環境下，熱腐蝕會嚴重危害燃氣渦輪發動機的安全，并大幅降低發動機壽命。本文分析熱腐蝕對渦軸發動機性能的影響，以渦輪葉片為主要研究對象，從葉片表面粗糙度和流通面積這兩個方面出發，定性分析了其對發動機流量和渦輪效率兩個方面的作用。以CT7-8A渦軸發動機為研究對象，運用Turbomatch軟件進行發動機性能仿真，對熱腐蝕的影響進行分組模擬，分析出發動機耗油率、TET、功率、壓比等參數的變化趨勢。

關鍵詞：渦軸發動機;熱腐蝕;渦輪葉片;發動機性能

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）09-0114-03

長期運行在沙塵或鹽霧環境下的燃氣渦輪發動機，葉片腐蝕是一個常見問題，嚴重的情況下，腐蝕會加速發動機性能衰減，降低葉片使用壽命，并嚴重危害發動機安全運行。

對于海上飛行器，特別是搜索和救援直升機（SAR直升機），其面臨著壓氣機污染沉積和渦輪葉片腐蝕的嚴峻壓力。搜救直升機在執行海上搜救任務時，為便于目視搜尋目標，需貼近海平面進行飛行，通常海拔高度為60m～120m。海面低空大氣中含有大量的海鹽，在發動機的高溫作用下，生成腐蝕性鹽附著在葉片上，引發嚴重的腐蝕問題。

1研究目的及方法

本文旨在評估海洋大氣環境下，熱腐蝕對發動機的危害，通過建模分析、評估其對性能的影響。本文作者選用CT7-8A發動機作為研究對象。研究分析海洋大氣中海鹽氣溶膠對渦輪葉片的腐蝕情況，分析腐蝕渦輪葉片對發動機性能的影響因素，根據CT7-8A發動機公開數據，運用Turbomatch軟件建立發動機模型，通過分組討論，分析不同腐蝕程度下，發動機在典型的搜救任務中各階段的參數變化趨勢。

2熱腐蝕機理

熱腐蝕也叫沉積鹽腐蝕，在高溫條件下，液態沉積鹽造成金屬或合金的加速氧化和侵蝕。硫酸鈉是誘發熱腐蝕的主要成分。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，因為海鹽粒子吸濕性和尺寸大的特性，可以作為凝結核促進云層的形成[1]。此外，海鹽氣溶膠也會影響海洋大氣中硫元素的循環和電磁波的傳播。

海鹽氣溶膠的形成機理是，海風攪動表層海水形成空氣泡、飛沫水滴。空氣泡可間接導致氣溶膠的形成。海風與浪潮直接作用，注入大量空氣進入浪峰中，形成白泡沫，其中含有豐富的空氣泡。一般風速超過3m/s，就會形成白泡沫，超過15m/s，白沫會占據14%的海域面積[2]。白沫中的空氣泡破裂后，會形成數以百計的細小液滴，通常直徑都在10μm以下。這些微小粒子可在空氣中停留長達數天。氣溶膠直接形成原因之一是飛沫水滴，一般在風速超過10m/s的時候，風會直接撕裂浪峰，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間，從幾秒鐘到數分鐘不等，取決于風速的大小。

對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發生反應，會不斷流失。

2.2 熱腐蝕類型

熱腐蝕的發生位置取決于沉積鹽的附著位置，比如發電機的熱交換管、工業或航空燃氣輪機的渦輪葉片。誘發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，反應式如下所示：

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

熱腐蝕根據運行溫度分為兩類：一型腐蝕和二型腐蝕。一型腐蝕，也叫高溫腐蝕（HTHC），一般發生溫度在硫酸鈉鹽的熔點附近及以上，850℃～950℃，腐蝕反應從一開始就非常迅速，腐蝕率基本隨著時間呈線性上升。高溫腐蝕會造成金屬表面的均勻硫化以及內部損傷。二型腐蝕也叫低溫腐蝕（LTHC），發生溫度在600℃～800℃。在此溫度下，硫酸鈉鹽呈現固態，但是部分金屬的氧化產物與硫酸鈉混合后，會極大地降低混合沉積鹽的熔點，例如硫酸鈉和硫酸鎳混合后，熔點從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，在經過臨界點后，腐蝕速度會迅速提升。低溫腐蝕的表現是不均勻的，呈點狀或針狀腐蝕，如圖1所示。

2.3 熱腐蝕對葉片的影響

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，會造成部分分離層的出現，降低了渦輪效率，同時也會減小流通面積。

隨著腐蝕的不斷加深，表層形成的氧化物，因為其疏松多孔的特性，在氣流的沖擊下，會從葉片剝落，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，會增加流通面積，有利于空氣流量的增加。

綜上所述，熱腐蝕會降低渦輪葉片效率，對葉片流通面積的影響會隨著時間的延長而變化。

此外由于熱腐蝕侵蝕葉片內部，嚴重時會形成裂痕，造成材料性能退化，降低葉片使用壽命，危害發動機運行安全。

3研究對象

3.1 CT7-8A發動機

本文選取通用電氣公司的CT7-8A渦軸發動機作為研究對象，該型發動機屬于CT7/T700發動機系列產品，廣泛應用于英國、加拿大等國的海上直升機，如西科斯基S-92、H-92超級鷹。

CT7-8A渦軸發動機結構形式采用環形進氣裝置與粒子分離器一體化設計、5級軸流加1級離心的組合式壓氣機、短環形燃燒室、2級高壓渦輪與2級自由渦輪和環形尾噴管。根據公開數據可以查詢到該型發動機的壓比、渦輪前溫度、起飛功率、最大可連續功率、耗油率等參數。本文作者根據已有公開數據，選取空氣流量為設計變量，起飛功率為設計點，在Turbomatch性能計算軟件中進行擬合。在發動機設計點擬合過程中，選取壓氣機喘振裕度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%，并且運用Turbomatch中現有的壓氣機、渦輪特性圖，將擬合結果的耗油率與公開數據進行校驗。

最終設計結果：空氣流量10kg/s、功率1879kW、耗油率75.7μg/J，詳細數據可見表1，耗油率與官方數據差異只有0.4%，吻合度非常好。發動機熱效率為0.306，是一個比較實際并且可接受的值。

3.2 搜救任務剖面

直升機在執行海上搜救任務時，由于需長期在海上低空飛行，暴露在高濃度海鹽氣溶膠環境下的時間長達數小時，發動機極易受到鹽霧腐蝕。本文作者選取如圖2所示經典搜救任務，分為地慢、爬升（起飛）、巡航、下降（降落）、搜索和盤旋六個階段。

以搜救直升機S-92為執行對象，結合該型直升機公開文獻數據，針對不同階段采取不同的發動機控制策略。對于爬升和下降階段，控制發動機TET恒定。對于地慢、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為直升機盤旋、搜索、巡航高度。所有的發動機性能模擬、計算均在Turbomatch中進行，最終SAR任務剖面各階段的特性參數以及發動機特性可見表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動機內部實時監控葉片重量變化以及無損檢測葉片內部損傷。因此暫時無法對腐蝕程度進行量化，并將其與性能衰減關聯起來。

鑒于腐蝕對葉片的影響主要體現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，再到嚴重等級。案例1引進了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產生的疏松氧化物，會降低流道流通量，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 計算結果分析

將4.1小節中4個案例的變化量分別代入發動機模型中進行計算，并將計算結果與未受腐蝕影響的發動機性能參數進行對比，得出各階段變化趨勢圖，如圖3所示。圖中數字代號分別指代表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。對比巡航和搜索階段的1、2點，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。對比巡航和搜索階段的3、4兩點，發現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仍然會增加。

從瞬態性能的角度來分析，對于巡航和搜索階段的1、2點，假設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，會導致TET下降，因此高壓渦輪的轉速下降，壓氣機壓比隨之下降。此時燃燒室進口溫度降低，如果燃油流量不增加，必然會導致TET降低，輸出功率不足，因此如公式（2）所示，此時空氣流量降低，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）

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

值得一提的是，圖3中盤旋階段1、2、3的變化趨勢非常獨特，隨著流通量的增加，TET呈現下降的趨勢。算例表明，同樣5%的流通量變化，在盤旋階段會造成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，因此會出現小功率狀態下TET上升，大功率狀態下TET下降的趨勢。

從圖4中可以推斷出，隨著流通量的增加，發動機油耗增加。上文已完成控制策略為恒定輸出功率的時候，燃油流量增加的機理分析。現補充在控制TET不變的前提下，燃油流量的變化趨勢，即爬升、降落階段1-3點的變化趨勢。

從瞬態出發，空氣流量瞬間增加，導致TET降低，壓比降低，燃燒室進口溫度隨之降低。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點的流通量變小，因此各階段其油耗變化趨勢也相反，其機理相同，不再贅述。

現針對高壓渦輪效率的降低進行性能參數變化趨勢分析。

在保持恒定輸出功率的時候，高壓渦輪效率降低，意味著需要高壓渦輪做功減少，壓氣機壓比降低，空氣流量降低，需要增加TET來保證輸出功率的穩定。因此此時需增加燃油油量，其他參數如TET、空氣流量、壓比都隨之增加。需要補充一點，此時自由渦輪的轉速需要適應性地降低才能保持輸出功率恒定。

在保持TET不變的時候，高壓渦輪效率降低，但高壓渦輪前的參數均不會產生任何變化。因此此種控制策略下，高壓渦輪效率降低，不會改變TET、燃油油量。

5結論

本文從海洋環境中熱腐蝕的誘發因素——海鹽氣溶膠開始研究，分析了熱腐蝕機理，總結歸納了熱腐蝕對渦輪葉片的影響，建立了CT7-8A發動機模型以及典型SAR任務模型，并選取了四組由熱腐蝕引起的性能衰減案例進行模擬分析，得出以下結論：

（1）熱腐蝕會造成渦輪葉片表面粗糙度增加，表層脫落，改變葉型參數。此外腐蝕反應會導致內部材料特性退化，增加葉片斷裂的風險，給發動機安全運行造成巨大安全隱患。

（2）熱腐蝕給發動機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，均會導致發動機渦輪前溫度增加，使熱端部件工作在高溫狀態，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，會降低燃油消耗，而隨著運行時間的增長，葉片表層剝落，流通面積增加，燃油消耗會隨之增加。

參考文獻

[1] Gerber，H.‘Probability distribution of aerosol backscatter in the lower marine atmosphere at CO2 wavelengths[J].Journal of Geophysical Research，1991，96（D3）：5307-5314.

[2] Woolf，D.K.，Monahan，E.C，Spiel，D.E.‘Quantification of the marine aerosol produced by whitecaps[C].in 7th Conf.on Ocean-Atmosphere Interaction，Anaheim，1988.

[3] Khanna，A.S.‘Introduction to high temperature oxidation and corrosion[C].2nd edn.ASM International，2002.