艦載機發動機腐蝕敏感性試驗

柴 政，武曉龍，邢 洋，李兆紅，劉佳鑫

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

由于艦載機長期工作在海洋大氣環境中，高溫、高濕、高鹽以及艦船尾氣會對其金屬材料造成較強腐蝕。受此影響，艦載機發動機的氣動性能與結構強度明顯降低，使用壽命也大大縮短，這對艦載機發動機的耐腐蝕能力提出了極高的要求。對艦載機發動機開展腐蝕敏感性試驗，驗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。

國外在航空發動機腐蝕敏感性試驗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方法和標準。在國外標準的基礎上，我國雖也初步形成了腐蝕敏感性試驗標準，但在發動機腐蝕敏感性試驗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境對發動機性能影響的機理和程度，建立了渦軸發動機的部件級熱力學性能計算模型，對該影響進行定量計算；趙朋飛等歸納出室內加速腐蝕試驗譜的編制方法，得到面向裝備服役島礁大氣環境的室內加速腐蝕試驗譜；劉元海等開展了典型海洋大氣環境加速腐蝕環境譜和腐蝕防護控制等方面的研究。

為了更好地適應海洋大氣環境，某艦載機發動機采取了更換部分部件材料和增加三防涂層等措施，以提高其腐蝕防護與控制能力。為驗證發動機是否具有高腐蝕防護與控制能力，本文在搜集整理國內外腐蝕敏感性試驗相關技術資料的基礎上，設計了鹽霧發生系統，制定了試驗環境保證方案，并開展發動機腐蝕敏感性試驗。根據試驗結果，分析了腐蝕敏感性試驗前后發動機性能變化情況及部件腐蝕情況，以期為其他型號渦扇發動機開展腐蝕敏感性試驗提供借鑒。

1 腐蝕敏感性試驗鹽霧系統

為了開展腐蝕敏感性試驗，特設計了腐蝕敏感性試車臺，它能夠進行常規試車和腐蝕敏感性試車。試車臺具備腐蝕敏感性試驗專用設備（如鹽霧罩、鹽霧發生裝置、純水生成系統、儲存罐等）。腐蝕敏感性試車臺鹽霧系統，如圖1所示。

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

該系統按功能可分為純水制造、鹽液配置、動態試驗裝置和靜態試驗裝置4部分。

純水制造。試驗所用蒸餾水由純水發生裝置經過二級反滲透高純水處理生成，因《航空渦輪噴氣和風扇發動機通用規范》（GJB 241A—2010）未對試驗用蒸餾水水質作出規定，故參考其他軍用裝備抗腐蝕試驗規范，制造的蒸餾水水質符合《軍用設備環境試驗方法鹽霧試驗》（GJB150.11—86）要求。

鹽液配置。試驗前，在配置罐中進行標準鹽液和蒸餾水的稀釋配置，按不同的稀釋比例將試驗所需鹽液分別儲存于濃鹽罐和稀鹽罐內。

動態試驗裝置。動態試驗時，發動機處于開放環境下，由進氣補水裝置、進氣噴鹽環、外部噴鹽環系統共同投入工作。其中，進氣噴鹽系統、進氣補水裝置負責滿足發動機進氣的鹽霧和濕度要求，外部噴鹽環系統負責滿足發動機外表面附件的鹽霧環境要求。動態試驗所用噴嘴可霧化出平均直徑不大于25 μm的鹽霧。動態試驗過程中，發動機會在多個不同的工作狀態下運轉，發動機進氣流量及外部氣流速度會隨著工作狀態的變化而改變。為保證發動機進口及外部的鹽質量分數滿足試驗要求，需要動態調節進氣噴鹽環和外部噴鹽環的流量。為此，為進氣噴鹽環和外部噴鹽環設置了不同的流量檔位，在試驗開始前，根據試驗發動機在不同工作狀態下的進氣流量和外部流速對檔位流量進行設置，在動態試驗過程中，操作人員根據發動機工作狀態手動切換檔位。

靜態試驗裝置。靜態試驗時，發動機處于密閉環境內，靜態鹽霧發生裝置和靜態霧化裝置投入工作，負責滿足試驗所要求的濕度、鹽質量分數等環境要求。為確保試驗環境模擬的準確性，試驗前，對靜態試驗裝置進行校準，開啟靜態鹽霧發生裝置和靜態霧化裝置，測量試驗裝置內空氣中的鹽質量分數，根據測量結果對鹽液稀釋比例進行修正。

2 試驗方案

2.1 動態環境模擬方案（第1階段）

動態試驗要求發動機在溫度大于10 ℃、相對濕度不小于73%的環境下，完成第1 階段的3 h 試車程序。該階段，試驗發動機處于開放環境中，進氣條件為大氣環境，因此，試驗前應根據近年來的氣象資料，確定試驗窗口期。

發動機進氣環境的濕度要求，由空氣霧化噴嘴噴射蒸餾水和稀釋后的鹽溶液實現。噴射的蒸餾水和鹽溶液的比例，根據目標濕度與環境濕度差值進行確定。動態噴霧環的噴嘴布局經過FLUENT中DPM模型的優化驗證，確保進氣鹽霧均勻。

試驗前，根據環境溫度、相對濕度以及相對濕度和絕對濕度的對應關系，計算出達到目標濕度所需的補水流量。為保證發動機在動態試驗中吸入的鹽質量分數滿足要求，根據發動機進氣流量、補水流量計算出試驗所需鹽的固體質量，隨后按GJB 241A—2010鹽液配比要求進行標準鹽液的配置，確定試驗所需標準鹽液。最后，將計算所得標準鹽液按1 ∶400 進行稀釋，由進氣噴鹽系統中的空氣霧化噴嘴噴入發動機流道，當稀釋后增加的水量不足以滿足試驗所需補水量時，剩余補水量將由進氣補水裝置提供。

發動機外表面鹽霧噴射實現的原理與動態試驗的進氣噴鹽原理相同，均是由稀釋后的鹽液經霧化噴嘴噴入空氣與氣流摻混實現。

2.2 靜態環境模擬方案（第3、4階段）

在靜態試驗中，發動機存放于密閉空間內，4臺獨立循環風機可實現對發動機表面流速的控制。在循環風機出風口處，設有電加溫裝置，可實現對環境溫度恒溫控制。靜態試驗中，發動機所處環境的濕度可通過2套超聲波霧化發生器實現：1套是以噴射稀鹽罐中鹽溶液來增加空氣濕度和鹽質量分數；另1 套是以噴射純水罐中純水來增加環境濕度。在靠近發動機進口端設有濕度傳感器，負責環境濕度的動態閉環控制。

靜態試驗中，根據環境初始濕度與試驗目標濕度的含濕量差值，計算出達到目標濕度和目標鹽質量分數狀態下的所需鹽液質量分數，并按此進行控制。在第3 階段靜態試驗前，將鹽霧罩內的初始環境控制為溫度30 ℃以上、相對濕度70%。

試驗前將標準鹽液按1 ∶900 進行稀釋，根據目標濕度和初始狀態含濕量差值與稀釋后鹽溶液的含鹽量，計算出達到目標濕度時鹽霧罩內的鹽質量分數，計算公式如下：

式（3）中，為鹽霧罩內鹽質量分數。

2.3 試驗環境測試方案

試驗過程中利用采樣泵對鹽霧空氣進行采樣，采得的空氣樣品被采樣瓶中純水吸收，采用電化學分析法對采樣瓶內水溶液鹽質量分數進行分析，計算出空氣中的鹽質量分數。

3 腐蝕敏感性試驗

3.1 試驗用發動機

試驗用發動機為混合排氣小涵道比渦扇發動機，為某原型發動機的改進型發動機。

3.2 試驗程序

根據GJB 241A—2010 規定：發動機腐蝕敏感性試驗包括50 個循環，每個循環24 h，總的試驗時間為1 200 h，發動機工作運轉時間150 h。本試驗程序和試驗環境均按該標準制定。由于本次試驗所用發動機已工作較長時間，因此，對試驗時數進行裁減，確定本次試驗進行25 個循環，總時數為600 h。每個循環分為4 個階段，其中：第1 階段發動機處于運轉狀態；第2、3、4階段發動機均處于靜置狀態。各階段的環境溫度、相對濕度和鹽質量分數條件有所差異。每個循環的階段劃分和環境模擬要求，如表1所示。

表1 腐蝕敏感性試驗循環程序Tab.1 Cycle program of corrosion susceptibility testing

試驗開始前，先分解發動機，檢查所有零件表面狀況并拍攝零件的細節照片。試驗完成后，再次分解發動機并檢查有無腐蝕痕跡。若有，將所有腐蝕的零件進行細節拍照，并提供判斷腐蝕類型特性的試驗樣品實物或冶金分析。

3.3 試驗方法

每個試驗按照第1、第2、第3和第4階段的順序依次循環開展。

第1 階段：本階段為發動機運轉程序，是連續的3 h 試車程序，包括慢車狀態、節流狀態、中間狀態和全加力狀態。在試驗前，將發動機與進氣筒、進氣補水裝置進行連接。當發動機起動至慢車穩定狀態，動態鹽霧系統正常工作時，發動機便進入該循環試驗的第1階段。

第2階段：本階段發動機停放于大氣環境溫度下，可在此階段進行發動機必要的檢查工作。

第3階段：本階段前進行鹽霧罩安裝、測點安裝連接、密封性檢查等機械安裝準備工作。完成準備工作后，根據第3階段初始環境和目標濕度狀態，開啟風機以及靜態霧化發生裝置對鹽霧罩內環境加濕、噴鹽霧。該階段持續時間為7 h，鹽霧發生裝置閉環調節鹽霧發生量，確保試驗環境滿足試驗要求。

第4階段：試驗前打開排風口，進行10 min通風排空準備工作。完成排空后，開啟加濕裝置和加溫裝置。該階段持續時間為12 h，靜態鹽霧發生裝置通過監控鹽霧罩內溫度、濕度等參數，對發動機環境的溫度、濕度進行閉環控制，以確保試驗環境滿足試驗要求。當完成第4 階段試驗后，進行下一個循環的第1階段試驗。

3.4 試驗結果

完成腐蝕敏感性試驗后，發動機下臺分解，進氣機匣、中介機匣、主燃燒室和外部部分螺栓等小零件出現不同程度銹蝕，如圖2所示。

圖2 試驗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現明顯腐蝕痕跡。風扇靜子葉片、高壓壓氣機轉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晶附著，如圖3所示。

圖3 試驗后高壓壓氣機轉子Fig.3 Compressor rotor after the test

如圖4所示，試驗過程中，發動機低狀態相同低壓換算轉速下的換算推力基本相當，高狀態相同低壓換算轉速下，第25 循環的換算推力較第1 循環下降約4%，圖4 中，為低壓換算轉速，為換算推力。試驗數據已作歸一化處理，僅給出相對變化關系，下同。

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

如圖5 所示，發動機排氣溫度水平隨試驗的進行而逐漸上升。高狀態下，第25循環較第1循環在相同換算推力下換算排氣溫度上升約5.5%，換算排氣溫度上升量明顯大于發動機常規臺架試驗的水平，圖5中，為換算排氣溫度。

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

如圖6、7所示，試驗過程中，在高狀態相同低壓換算轉速下，第25循環較第1循環高壓壓氣機后換算壓力下降約6%，低壓渦輪后換算壓力下降約4%。圖6、7 中，為高壓壓氣機后換算壓力，為低壓渦輪后換算壓力。

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

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

綜合來看，本次試驗后，發動機性能衰減幅度較大，從分解檢查結果來看，主要流道件表面均有不同程度的鹽霧結晶附著。鹽霧結晶附著會導致壓氣機表面粗糙度增加，從而增加壓氣機在工作時的附面層厚度。與此同時，鹽霧結晶附著也會導致壓氣機葉片型面發生變化，從而偏離設計狀態。這2 種因素的疊加導致壓氣機的特性發生變化，造成流量、壓比和效率的下降。同樣，鹽霧結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，導致渦輪效率的下降，做功能力降低。壓氣機和渦輪工作特性的惡化最終導致發動機整機性能惡化，排氣溫度水平上升。尤其在發動機中間及以上狀態，由于限溫導致低壓轉速下降，發動機推力明顯降低。

受試驗環境溫度和試驗設備等因素限制，試驗過程中和試驗結束后均未進行整機流道清洗。

4 結論

基于某艦載機發動機完成了腐蝕敏感性試驗，試驗結果表明，試驗方法及試驗設備設計合理可行，可為其他型號腐蝕敏感性試驗提供借鑒。試驗后：除部分小零件出現不同程度腐蝕外，發動機主要零部件和成附件未發現明顯腐蝕痕跡；主要流道件表面有不同程度的鹽霧結晶附著；發動機性能衰減幅度較大，相同換算推力下排氣溫度上升約5.5%。建議其他型號發動機開展腐蝕敏感性試驗時進行流道清洗以恢復發動機性能。