渦軸發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗設(shè)備初步研究

陳武 陳瑋 鄒寶軍 韋海龍 傅佩穎

（中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

直升飛機(jī)在沿海地區(qū)/海域上空執(zhí)行任務(wù)時處于海洋大氣環(huán)境中。此種環(huán)境下的腐蝕破壞己成為影響渦軸發(fā)動機(jī)性能、壽命、成本和安全的主要問題之一[1]。海洋環(huán)境適應(yīng)性是評價艦載武器裝備的重要要素[2]，長期工作于海洋環(huán)境的發(fā)動機(jī)明顯較同型別的非海洋環(huán)境下工作的發(fā)動機(jī)腐蝕嚴(yán)重。《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB242-87）對我國的軍用航空渦輪軸發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗提出了一般要求[3]。本文對航空渦輪軸發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗設(shè)備進(jìn)行了初步探索，未涉及試驗設(shè)備的詳細(xì)設(shè)計。

1.國軍標(biāo)試驗要求及其解讀

1.1 國軍標(biāo)要求

試驗要求詳見《航空渦輪螺槳和渦輪軸發(fā)動機(jī)通用規(guī)范》（GJB242—87）4.6.4.3節(jié)。本文只對試驗流程相關(guān)的部分進(jìn)行描述。

試驗過程中，發(fā)動機(jī)需要在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下吞入一定鹽霧濃度/濕度/溫度的氣體，并在不同鹽霧濃度/濕度/溫度環(huán)境下存放。

含鹽的空氣應(yīng)通過發(fā)動機(jī)燃?xì)饬髀泛桶l(fā)動機(jī)的外表面。

發(fā)動機(jī)吸入的鹽液濃度穩(wěn)定在重量的200PPb。

1.2 國軍標(biāo)解讀

國軍標(biāo)規(guī)定的試驗流程及要求是模擬海軍用艦載機(jī)在服役過程中面臨的全工況條件，即飛行執(zhí)行任務(wù)、甲板停放、機(jī)庫停放等的綜合使用過程。其中關(guān)于鹽濃度、溫度、濕度等的規(guī)定是為模擬典型太平洋海面環(huán)境。通過該試驗的發(fā)動機(jī)即表明具備在海面服役的能力。

1.3 試驗方案的選定

在本文之前，中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所的科研人員提出了一套簡易的腐蝕敏感性試驗方法，即制作一套鹽霧噴灑裝置，將其噴口連接在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)流盆上進(jìn)行試驗。此方法存在多種不足，如未考慮國軍標(biāo)中對溫度與濕度的要求，發(fā)動機(jī)外表面未被鹽霧氣流覆蓋，吞入的鹽霧量基本一定，而發(fā)動機(jī)狀態(tài)變化導(dǎo)致吞入的鹽霧濃度發(fā)生變化，不是恒定的200PPb等，與國軍標(biāo)要求差距較大。

試驗的重點及難點在于無論發(fā)動機(jī)是何種工況，在特定階段，其吞入的鹽霧氣體的濃度、濕度及溫度需保持恒定，也即要求發(fā)動機(jī)處于一股源源不絕的“海風(fēng)”之中。因此試驗人員繼續(xù)提出兩種方案：在海邊建設(shè)試車臺，或者在已有試車臺模擬出海風(fēng)。前者的優(yōu)點在于模擬環(huán)境更為真實，但因車臺所有設(shè)備均處于海風(fēng)腐蝕環(huán)境下，且需要抽調(diào)人手在海邊建立、維護(hù)試車臺，故人力物力成本投入巨大，且海風(fēng)的鹽霧濃度/濕度/溫度不一定符合國軍標(biāo)要求。后者的優(yōu)勢是成本較低，但需要設(shè)計一套精密的“海風(fēng)”發(fā)生裝置以便源源不絕地給發(fā)動機(jī)提供氣源，并制作一個隔離艙將腐蝕氣體及發(fā)動機(jī)與外界隔離。考慮成本因素及對軍標(biāo)的符合性，本文選取后者。

2.試驗設(shè)備

2.1 腐蝕性氣體發(fā)生裝置

該裝置用于向發(fā)動機(jī)提供滿足國軍標(biāo)溫度、濕度與鹽霧濃度要求的空氣。系統(tǒng)主要由進(jìn)氣單元、溫度模擬單元、濕度模擬單元、鹽霧模擬單元、防護(hù)艙單元和測試控制單元組成。

發(fā)動機(jī)的腐蝕性試驗裝置中氣源由進(jìn)氣單元提供，考慮鹽霧試驗要求發(fā)動機(jī)內(nèi)外表面均處于鹽霧環(huán)境，按最大進(jìn)氣流量的1.5倍設(shè)計供氣；溫/濕度條件由溫濕度模擬單元提供；鹽霧條件由鹽霧單元提供。裝置原理如圖1所示，其具體工作原理為：氣源供氣經(jīng)過溫度模擬單元調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度后，進(jìn)入溫濕度混合器；同時濕度模擬單元向溫濕混合器噴入水蒸氣，使空氣充分混合吸收，形成滿足條件的溫濕氣體；隨后鹽霧模擬單元向鹽霧混合器中來流溫濕氣體噴入鹽霧并混合均勻，形成滿足鹽濃度要求的溫濕鹽氣體。發(fā)動機(jī)包含在防護(hù)艙內(nèi)，混合后氣體經(jīng)過導(dǎo)流由發(fā)動機(jī)吸入。經(jīng)試驗后氣體直排到試驗間外大氣中。通過溫、濕度模擬單元、鹽霧單元及管路閥門調(diào)節(jié)后，溫濕度、鹽霧條件可達(dá)到要求指標(biāo)。

圖1 腐蝕性氣體發(fā)生裝置原理圖

因國軍標(biāo)未規(guī)定腐蝕氣流的速度與壓力，研究人員擬將速度限制在8.5m/s以下（對應(yīng)臺灣海峽與呂宋海峽上0空年平均風(fēng)速[4]），壓力控制在大氣壓±500Pa。

2.1.1 進(jìn)氣單元

進(jìn)氣單元由變頻風(fēng)機(jī)、干燥過濾器（含制冷裝置）等組成。

變頻風(fēng)機(jī)與電動進(jìn)氣流量調(diào)節(jié)閥共同作用，控制供氣流量。

干燥過濾器用以除去壓縮空氣中水、水蒸氣、垃圾、油污等有害物質(zhì)，保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

2.1.2 溫度模擬單元

溫度模擬單元由加熱器、送氣管道等組成，用于模擬發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度。氣源供氣至管路內(nèi)，經(jīng)過溫度模擬單元中電加熱器的升溫調(diào)節(jié)至目標(biāo)溫度，系統(tǒng)根據(jù)溫度閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)實時改變加熱功率，提高進(jìn)氣溫度的控制精度。設(shè)計加熱系統(tǒng)的熱功率可滿足設(shè)計流量下常溫氣體溫升至50℃的要求。

加熱器采用高效開路鎳鉻合金電子加熱器。控制使用無觸點控制方式（SSR），由各自的智能溫度控制儀配合溫度傳感器進(jìn)行自動調(diào)節(jié)與控制，其加熱功率無級連續(xù)可調(diào)。采用SSR（固體繼電器）無觸點全程控溫，可以防止產(chǎn)生火花和靜電。配置雙重可調(diào)超溫保護(hù)裝置，確保系統(tǒng)安全。

加熱過程閉環(huán)控制原理為：通過PLC控制器發(fā)送4mA～20mA控制信號給可控硅，控制可控硅輸出給電加熱器的功率，從而控制電加熱器輸出的熱量，控制管路中氣體的溫度。控制點處的熱電阻將閉環(huán)控制溫度反饋值送至PLC控制器，并與當(dāng)前溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID控制算法計算后，當(dāng)控制點溫度低于當(dāng)前溫度設(shè)定值時提高可控硅功率輸出，當(dāng)控制點溫度高于當(dāng)前溫度設(shè)定值則降低可控硅的功率輸出，從而實現(xiàn)升溫過程的溫度閉環(huán)控制。

2.1.3 濕度模擬單元

濕度模擬單元由水處理器、蒸發(fā)器、溫濕度混合器、加濕管道等組成。

蒸汽發(fā)生發(fā)器作用是將水塔輸送過的水汽化為水蒸氣。在供水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器前，設(shè)計經(jīng)過水處理器將水進(jìn)行軟化處理，防止長期工作后蒸發(fā)室內(nèi)結(jié)成水垢影響其加熱效率。

如圖2所示，水蒸氣與來流熱空氣在溫濕度混合器內(nèi)進(jìn)行充分混合，達(dá)到設(shè)定濕度。溫濕度混合器為靜態(tài)混合器，混合器內(nèi)沒有運動部件，可靠性較高，其依靠組裝在管內(nèi)混合單元使互不相容的流體在混合器內(nèi)流動時發(fā)生分流、合流、旋轉(zhuǎn)等運動，促使每種流體都達(dá)到良好的分散，流體間達(dá)到良好的混合。

圖2 電加熱蒸汽發(fā)生器

2.1.4 鹽霧模擬單元

鹽霧模擬單元主要由鹽水箱、微量鹽霧輸送混合裝置、調(diào)節(jié)閥、相應(yīng)管路組成，用于模擬發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的鹽霧環(huán)境。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB242-1987可知，在循環(huán)過程中鹽溶液濃度穩(wěn)定在重量的200PPb，換算可得鹽霧濃度約為0.24mg/m3。依據(jù)供氣量可算出鹽溶液的質(zhì)量流量，再結(jié)合總試驗時間可得所需鹽水量。

鹽溶液的配置根據(jù)GJB242-1987，配試驗鹽水需使用去離子水或蒸餾水。將配置好的鹽溶液放置在溶劑槽內(nèi)，鹽水箱由耐鹽水腐蝕的材料CPVC板制成，設(shè)計微量液體輸送混合裝置將鹽霧噴射至主流氣體中并進(jìn)行均勻混合，從而向發(fā)動機(jī)進(jìn)行供氣。

為保證實際供氣中鹽霧濃度滿足試驗要求，在試驗前對試驗系統(tǒng)供氣中鹽霧含量進(jìn)行檢測標(biāo)定。標(biāo)定采用如下方法：在送氣管路靠近箱體位置處設(shè)置取氣管進(jìn)行采樣，將采樣所得氣體溶于蒸餾水中，然后對溶液進(jìn)行關(guān)鍵元素分析檢測，進(jìn)而計算得出發(fā)動機(jī)入口的氣流的含鹽濃度值，同時將結(jié)果與鹽霧噴射流量進(jìn)行對比標(biāo)定。此后在試驗過程中即可通過控制鹽霧噴射流量來控制供氣中的鹽霧濃度。

2.1.5 系統(tǒng)管路設(shè)計

加熱器后所有管路做硅酸鋁棉保溫處理。

微量鹽霧混合裝置以及之后的管路均采用PP管，管路外加伴熱帶進(jìn)行自加溫防止管路中含鹽濕氣進(jìn)行冷凝結(jié)晶。

排水管路材質(zhì)采用防酸、堿的PP管做排水管路。

溫濕混合器后主管路上設(shè)置一路支管路，主、支管路上均配置調(diào)壓閥以達(dá)到調(diào)節(jié)氣體壓力的目的。

2.2 防護(hù)艙

防護(hù)艙用于將發(fā)動機(jī)與車臺設(shè)備（飛輪、測功器等）隔離開來，以使腐蝕性氣體不對車臺設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。

如圖3所示，上半艙由一部分由硬質(zhì)透明（方便觀察監(jiān)控）PVC塑料板制成，為三棱柱結(jié)構(gòu)，頂部夾角110°，可避免冷凝水滴落；一部分為長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外殼體均采用PP塑料板拼接而成。下半艙為長方體結(jié)構(gòu)，底部設(shè)置穿艙口，為發(fā)動機(jī)安裝架支撐腿通路，內(nèi)外殼體均采用PP塑料板拼接而成，底部設(shè)置鈦合金鎧裝式電加熱管的加熱層（防止冷凝）及排水裝置。艙壁內(nèi)表面帶電鍍膜裝置，可除霧防冷凝水，并做耐熱隔熱處理。上下半艙之間采用充氣式硅橡膠密封。

圖3 防護(hù)艙示意圖

下半艙左側(cè)與排氣引射筒相接，在附近開法蘭孔連接管路通大氣，管路上設(shè)置抽氣裝置，以將進(jìn)入艙內(nèi)又未被發(fā)動機(jī)吸入的氣體抽離至室外大氣（通過監(jiān)測艙內(nèi)壓力，當(dāng)艙內(nèi)壓力大于500Pa時自動開啟，當(dāng)艙內(nèi)壓力回復(fù)至大氣壓時停止）。

艙內(nèi)與艙外分別安裝開啟壓力為1kPa的安全閥。

下半艙右側(cè)留孔供發(fā)動機(jī)軸系通過，并做好密封。其他箱體密封采用耐高溫、耐腐蝕硅膠條密封方式，保證箱內(nèi)腐蝕氣體不泄露。

每個半艙適當(dāng)位置安有起吊螺栓。

支撐腿與安裝平臺加厚橡膠墊以隔振。

2.3 試車臺防護(hù)工作

應(yīng)將防護(hù)艙內(nèi)除發(fā)動機(jī)以外的試驗設(shè)備采用熱浸鍍鋅的表面防腐蝕處理，關(guān)重件如連接軸等制作備件以便試驗過程中進(jìn)行更換。

考慮到防護(hù)艙內(nèi)的密封效果不可能達(dá)到100%，故試車臺的艙外設(shè)備如水力測功器、儀器、儀表等采用簡易防護(hù)罩/油紙等進(jìn)行覆蓋，且試驗中控制防護(hù)艙內(nèi)的壓力為輕微負(fù)壓，以使艙內(nèi)氣流不外溢至艙外而腐蝕其余設(shè)備。

3.結(jié)論與建議

本文對渦軸發(fā)動機(jī)腐蝕敏感性試驗的試驗設(shè)備展開了初步研究，為該試驗的開展提供了技術(shù)儲備。

該方案的缺點是試驗方案/設(shè)備建立在常規(guī)科研試車臺之上。建議可對腐蝕敏感性專用試車臺的建設(shè)展開研究。