海洋环境下叶片腐蚀预测分析

黄兴隆

摘 要：本文基于公开文献所查询到的大气数据，建立起随着高度变化的海盐气溶胶模型，并应用于典型海上搜救任务，结合合理的反应势能和冷凝假设，计算出叶片上硫酸钠的沉积率。基于镍基合金IN 738LC的腐蚀试验数据，建立不同涂层的腐蚀模型，将沉积率与腐蚀率关联起来，模型较好地吻合了试验数据，体现出正确的定性以及定量趋势。利用该腐蚀模型，对不同涂层下叶片的腐蚀速率进行预测研究。

关键词：涡轴发动机;热腐蚀;涡轮叶片;腐蚀率

中图分类号：V263.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0102-03

对于在海岸边或者海洋环境中运行的动力设备，高温环境下的腐蚀现象很普遍，造成较大的经济损失。热腐蚀引起了普遍关注，越来越多的学者开始研究其机理，试图寻找降低损失的有效办法。对于海洋环境下运行的航空发动机来说，海洋大气中的盐分会与燃油中的硫在高温下产生反应，生产腐蚀性的硫酸钠盐，并在叶片上沉积，诱发叶片腐蚀，造成叶片材料退化，改变叶片叶型，降低发动机效率，降低叶片使用寿命，严重的情况下甚至会造成灾难性的发动机事故。开展叶片涂层研究以及盐雾环境下的叶片寿命预测都可以有效提高发动机运行经济性，避免叶片断裂故障的发生。

1 研究目的和方法

本文旨在研究海洋大气中盐雾浓度与叶片腐蚀率之间的关系。作者通过研究海洋大气环境中的海盐气溶胶（Sea-salt Aerosol，SSA）分布规律，计算出叶片表面硫酸钠盐的沉积率。基于腐蚀试验数据，建立一个合理的腐蚀模型，并结合盐分沉积率对发动机涡轮叶片的腐蚀率进行预测，为发动机在复杂海洋环境下的安全运行提供参考信息。

2 海盐气溶胶模型

海盐粒子是海洋大气质量占比最大的粒子，其在空气中以气溶胶的形式存在，对海洋天气的形成、大气层中的硫循环以及电磁波传播的影响颇大。

目前对于海盐气溶胶浓度的研究主要集中在海面低空区域，尚无全球分布预测模型。观测数据较为齐全的是NASA的大气断层扫描项目（Atmospheric Tomography Mission，ATom）。该项目是为了研究全球气候和空气质量受人类活动的影响以及自然变化趋势，系统性地收集了65°S～80°N、高度范围从0km～12.5km范围内的气体及气溶胶数据，对甲烷、臭氧和海盐等成分进行了测定。Murphy和Froyd[1]等基于ATom数据，标定出海盐气溶胶分布趋势如图1所示。该图中每个数据点代表纬度4°内750m高度范围内的平均值。为减小时间影响，忽略地理位置带来的变化，本文取各纬度同一高度浓度值的平均值，建立海盐气溶胶与高度之间的简化单一参数模型。

3 硫酸钠盐的沉积率计算

对于海洋和海岸边的環境，热腐蚀主要是由于燃油中的硫、钒以及海洋大气中的氯化钠引起。燃烧产生的SO2、SO3与NaCl反应生成Na2SO4，反应方程式如公式（2）所示。发动机运行过程中的燃烧产物之一V2O5作在上述反应中起到催化剂的作用，能降低硫酸盐的熔点，促进腐蚀反应的进行，但其催化性能与含量不关联，因此其生成量无需计算。硫酸钠沉积率与发动机空气流量、燃油消耗量以及涡轮叶片面积相关。

3.1 搜救任务

本文选取海洋搜救直升机S-92作为研究对象，其任务剖面为图2所示典型搜救任务。S-92直升机是由两台GE CT7-8A发动机驱动的中型多用途直升机，在国际上被广泛应用于军队和民用市场。搜救任务分为地慢、起飞（爬升）、巡航、盘旋、降落（下降）五个状态。

根据CT7-8A发动机公开数据，本文作者利用克兰菲尔德大学的性能计算软件Turbomatch进行匹配建模，最终确定该型发动机设计点功率为1879kW，油耗76.02?g/J，燃烧室出口温度（TET）1268k，空气流量10kg/s。搜救任务各阶段中发动机的功率选择以及飞行高度特性见直升机任务谱图3。

3.2 硫、钠元素的含量

根据性能模拟计算，累加搜救任务各阶段消耗的燃油，可得出执行单次任务消耗的燃油量为1389kg，根据英国国防标准91-91中对航空煤油的含硫量限制要求，不得高于0.3%，因此单次任务中引进的硫含量为4.168kg。

钠来源于空气中的SSA，将搜救各阶段的空气流量乘以其所处高度下的SSA浓度，可以计算出单次任务进入发动机体内的SSA质量为0.27g。由于SSA起源于海水，而且新形成的SSA粒子成分与海水一致，本文为了简化计算，将SSA的成分等同于盐度为35的海水，其中钠离子的质量占比为30.8%。因此，可计算出单次任务摄入的钠离子质量为0.08414g。此外，也可计算出SSA中带来的硫含量为0.00707g，与燃油中所含硫相比，此数值可忽略不计。

3.3 叶片面积

燃烧时产生的硫化物与钠盐反应生成硫酸钠盐，主要附着燃烧室后方涡轮叶片上，本文假设所有沉积盐均附着在燃气涡轮前两级，即燃气涡轮导向器和一级叶片上。由于CT7-8A发动机涡轮叶片没有公开数据，因此选择如图4所示的涡轮叶片进行代替，根据发动机直径假设数量为50片，并且忽略导向器流道与一级转子流道的差异，取其面积与燃气涡轮一级叶片一致。经计算，前两级的叶片面积为7200cm2。

3.4 沉积率假说

Ahluwalia和IM[2]提出了多个气态硫酸钠生成和冷凝的假说，本文作者选取其中理想化的假说：理想化学平衡延伸至气态硫酸钠的形成以及冷凝。在这个理想化的情况下，涡轮膨胀足够慢，氯化钠或氢氧化钠完全转化，而且气体在涡轮中的停留时间长，气态硫酸钠的冷凝时间充足。

本假说成立有两个前提条件：（1）NaCl转化成Na2SO4的化学反应活化能为0。该观点已被从量子化学的角度证明。（2）大气温度低于气态硫酸钠凝结的露点。低于露点温度，硫酸钠会以液态形式凝结在叶片上，而露点温度与燃油中的硫百分比、空气中钠粒子含量以及环境压力有关。CT7-8A发动机运行时内部环境条件：硫的含量0.3%，空气中钠质量占比是0.658ppm，大气压力10～20个大气压，该状态下硫酸钠的露点在1299K～1373K。CT7-8A发动机涡轮前温度最高为1268K，低于露点，因此该前提条件成立。