热腐蚀对航空涡轴发动机性能影响的研究

黄兴隆

摘 要：在沙尘和盐雾环境下，热腐蚀会严重危害燃气涡轮发动机的安全，并大幅降低发动机寿命。本文分析热腐蚀对涡轴发动机性能的影响，以涡轮叶片为主要研究对象，从叶片表面粗糙度和流通面积这两个方面出发，定性分析了其对发动机流量和涡轮效率两个方面的作用。以CT7-8A涡轴发动机为研究对象，运用Turbomatch软件进行发动机性能仿真，对热腐蚀的影响进行分组模拟，分析出发动机耗油率、TET、功率、压比等参数的变化趋势。

关键词：涡轴发动机;热腐蚀;涡轮叶片;发动机性能

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）09-0114-03

长期运行在沙尘或盐雾环境下的燃气涡轮发动机，叶片腐蚀是一个常见问题，严重的情况下，腐蚀会加速发动机性能衰减，降低叶片使用寿命，并严重危害发动机安全运行。

对于海上飞行器，特别是搜索和救援直升机（SAR直升机），其面临着压气机污染沉积和涡轮叶片腐蚀的严峻压力。搜救直升机在执行海上搜救任务时，为便于目视搜寻目标，需贴近海平面进行飞行，通常海拔高度为60m～120m。海面低空大气中含有大量的海盐，在发动机的高温作用下，生成腐蚀性盐附着在叶片上，引发严重的腐蚀问题。

1研究目的及方法

本文旨在评估海洋大气环境下，热腐蚀对发动机的危害，通过建模分析、评估其对性能的影响。本文作者选用CT7-8A发动机作为研究对象。研究分析海洋大气中海盐气溶胶对涡轮叶片的腐蚀情况，分析腐蚀涡轮叶片对发动机性能的影响因素，根据CT7-8A发动机公开数据，运用Turbomatch软件建立发动机模型，通过分组讨论，分析不同腐蚀程度下，发动机在典型的搜救任务中各阶段的参数变化趋势。

2热腐蚀机理

热腐蚀也叫沉积盐腐蚀，在高温条件下，液态沉积盐造成金属或合金的加速氧化和侵蚀。硫酸钠是诱发热腐蚀的主要成分。在海洋大气中，海盐气溶胶为硫酸钠的形成提供了充足的钠离子来源。

2.1 海盐气溶胶

在海洋大气中，质量占比最大的粒子是海盐粒子，其存在形式为海盐气溶胶（SSA）。海盐气溶胶在海洋气候中扮演着重要角色，因为海盐粒子吸湿性和尺寸大的特性，可以作为凝结核促进云层的形成[1]。此外，海盐气溶胶也会影响海洋大气中硫元素的循环和电磁波的传播。

海盐气溶胶的形成机理是，海风搅动表层海水形成空气泡、飞沫水滴。空气泡可间接导致气溶胶的形成。海风与浪潮直接作用，注入大量空气进入浪峰中，形成白泡沫，其中含有丰富的空气泡。一般风速超过3m/s，就会形成白泡沫，超过15m/s，白沫会占据14%的海域面积[2]。白沫中的空气泡破裂后，会形成数以百计的细小液滴，通常直径都在10μm以下。这些微小粒子可在空气中停留长达数天。气溶胶直接形成原因之一是飞沫水滴，一般在风速超过10m/s的时候，风会直接撕裂浪峰，形成直径超过10μm的飞沫水滴粒子。此类大直径粒子在空气中的停留时间，从几秒钟到数分钟不等，取决于风速的大小。

对于刚形成的海盐气溶胶，其粒子成分与海水的成分是一致的，主要包含钠、氯、镁、硫、钙和钾等离子。但是海盐气溶胶在生成后，氯离子与空气中的SO2、NO2、H2SO4、O3发生反应，会不断流失。

2.2 热腐蚀类型

热腐蚀的发生位置取决于沉积盐的附着位置，比如发电机的热交换管、工业或航空燃气轮机的涡轮叶片。诱发热腐蚀的沉积盐主要是硫酸钠，海盐气溶胶里的氯化钠或氢氧化钠，与燃料中的硫燃烧生成的三氧化硫反应，反应式如下所示：

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

热腐蚀根据运行温度分为两类：一型腐蚀和二型腐蚀。一型腐蚀，也叫高温腐蚀（HTHC），一般发生温度在硫酸钠盐的熔点附近及以上，850℃～950℃，腐蚀反应从一开始就非常迅速，腐蚀率基本随着时间呈线性上升。高温腐蚀会造成金属表面的均匀硫化以及内部损伤。二型腐蚀也叫低温腐蚀（LTHC），发生温度在600℃～800℃。在此温度下，硫酸钠盐呈现固态，但是部分金属的氧化产物与硫酸钠混合后，会极大地降低混合沉积盐的熔点，例如硫酸钠和硫酸镍混合后，熔点从884℃降至671℃[3]。与高温腐蚀不同，低温腐蚀在初始阶段，腐蚀率非常低，在经过临界点后，腐蚀速度会迅速提升。低温腐蚀的表现是不均匀的，呈点状或针状腐蚀，如图1所示。

2.3 热腐蚀对叶片的影响

在腐蚀阶段的前期，随着沉积盐的堆积以及疏松多孔的氧化物的生成，叶片表面粗糙度改变，改变了表面气体流场，会造成部分分离层的出现，降低了涡轮效率，同时也会减小流通面积。

随着腐蚀的不断加深，表层形成的氧化物，因为其疏松多孔的特性，在气流的冲击下，会从叶片剥落，造成叶片表面的均匀或非均匀脱落，在增加表面粗糙度的同时，会增加流通面积，有利于空气流量的增加。

综上所述，热腐蚀会降低涡轮叶片效率，对叶片流通面积的影响会随着时间的延长而变化。

此外由于热腐蚀侵蚀叶片内部，严重时会形成裂痕，造成材料性能退化，降低叶片使用寿命，危害发动机运行安全。

3研究對象

3.1 CT7-8A发动机

本文选取通用电气公司的CT7-8A涡轴发动机作为研究对象，该型发动机属于CT7/T700发动机系列产品，广泛应用于英国、加拿大等国的海上直升机，如西科斯基S-92、H-92超级鹰。

CT7-8A涡轴发动机结构形式采用环形进气装置与粒子分离器一体化设计、5级轴流加1级离心的组合式压气机、短环形燃烧室、2级高压涡轮与2级自由涡轮和环形尾喷管。根据公开数据可以查询到该型发动机的压比、涡轮前温度、起飞功率、最大可连续功率、耗油率等参数。本文作者根据已有公开数据，选取空气流量为设计变量，起飞功率为设计点，在Turbomatch性能计算软件中进行拟合。在发动机设计点拟合过程中，选取压气机喘振裕度0.85、效率为0.88、涡轮效率为0.88、燃烧室效率0.99，燃烧室压损5%、冷却引气量5%，并且运用Turbomatch中现有的压气机、涡轮特性图，将拟合结果的耗油率与公开数据进行校验。

最终设计结果：空气流量10kg/s、功率1879kW、耗油率75.7μg/J，详细数据可见表1，耗油率与官方数据差异只有0.4%，吻合度非常好。发动机热效率为0.306，是一个比较实际并且可接受的值。

3.2 搜救任务剖面

直升机在执行海上搜救任务时，由于需长期在海上低空飞行，暴露在高浓度海盐气溶胶环境下的时间长达数小时，发动机极易受到盐雾腐蚀。本文作者选取如图2所示经典搜救任务，分为地慢、爬升（起飞）、巡航、下降（降落）、搜索和盘旋六个阶段。

以搜救直升机S-92为执行对象，结合该型直升机公开文献数据，针对不同阶段采取不同的发动机控制策略。对于爬升和下降阶段，控制发动机TET恒定。对于地慢、巡航、搜索、盘旋阶段，采用恒定功率控制。本文分别选取10m、60m、600m为直升机盘旋、搜索、巡航高度。所有的发动机性能模拟、计算均在Turbomatch中进行，最终SAR任务剖面各阶段的特性参数以及发动机特性可见表1。

4腐蚀影响分析

4.1 分析案例选择

值得注意的是，目前暂无方法可以在发动机内部实时监控叶片重量变化以及无损检测叶片内部损伤。因此暂时无法对腐蚀程度进行量化，并将其与性能衰减关联起来。

鉴于腐蚀对叶片的影响主要体现在流通面积的变化量和高压涡轮效率的损失上，本文作者为模拟和研究腐蚀影响，引入4组性能退化案例来模拟不同程度的葉片腐蚀，如表2所示。腐蚀程度分为三种，从轻微到中等，再到严重等级。案例1引进了1%的空气流量增加量以及1%的涡轮效率损失，是最轻微的腐蚀。案例2代表着增加2%的空气流通量和1%的高压涡轮效率损失。案例3和4均遭受最大4%的高压涡轮效率降低量，但考虑到腐蚀前期沉积盐的堆积以及腐蚀反应产生的疏松氧化物，会降低流道流通量，案例4选取减小5%的空气流量，案例3增加5%的空气流量。

4.2 计算结果分析

将4.1小节中4个案例的变化量分别代入发动机模型中进行计算，并将计算结果与未受腐蚀影响的发动机性能参数进行对比，得出各阶段变化趋势图，如图3所示。图中数字代号分别指代表2所示案例。

从图3可以看出，爬升和降落阶段的控制策略是控制温度TET不变，因此图中TET无变化。对比巡航和搜索阶段的1、2点，可以得知在保持输出功率不变的前期下，随着流通量的增加，需要增大TET才能满足功率要求。对比巡航和搜索阶段的3、4两点，发现在同样保持输出功率不变的前提下，随着流通量W的减小，TET仍然会增加。

从瞬态性能的角度来分析，对于巡航和搜索阶段的1、2点，假设流通面积的增加是瞬间完成的，那么空气流量增加了，但是燃油流量仍旧没变，会导致TET下降，因此高压涡轮的转速下降，压气机压比随之下降。此时燃烧室进口温度降低，如果燃油流量不增加，必然会导致TET降低，输出功率不足，因此如公式（2）所示，此时空气流量降低，需增加燃油流量，提高TET才能保障输出足够的功率。公式中UW代表有用功，即输出功率。

UW=W*CP*?T                            （2）

对于巡航和搜索阶段的3、4点，仍从瞬态性能开始分析，流通量W减小，燃油流量暂未改变，TET升高，导致压气机压比升高，空气流量增加，此时在公式（2）中欲保持功率不变，需要降低温升ΔT，即减少燃油供给，但压比升高导致燃烧室进口温度增加，而且其增加幅度远大于燃油供给量减少带来的温降，因此从现象来看，TET仍旧是增加。

值得一提的是，图3中盘旋阶段1、2、3的变化趋势非常独特，随着流通量的增加，TET呈现下降的趋势。算例表明，同样5%的流通量变化，在盘旋阶段会造成11k的温降，搜索阶段是7k的温降，同期燃油流量增加带来的温升是8k，因此会出现小功率状态下TET上升，大功率状态下TET下降的趋势。

从图4中可以推断出，随着流通量的增加，发动机油耗增加。上文已完成控制策略为恒定输出功率的时候，燃油流量增加的机理分析。现补充在控制TET不变的前提下，燃油流量的变化趋势，即爬升、降落阶段1-3点的变化趋势。

从瞬态出发，空气流量瞬间增加，导致TET降低，压比降低，燃烧室进口温度随之降低。为保证TET不变，因此需要增加燃油供给。此时压比降低，空气流量减小，高压涡轮所需做功减少，自由涡轮前温度升高，导致输出功率变多，而且相比空气流量减小带来的输出功率下降，温度升高带来的功率增加更明显。

4点的流通量变小，因此各阶段其油耗变化趋势也相反，其机理相同，不再赘述。

现针对高压涡轮效率的降低进行性能参数变化趋势分析。

在保持恒定输出功率的时候，高压涡轮效率降低，意味着需要高压涡轮做功减少，压气机压比降低，空气流量降低，需要增加TET来保证输出功率的稳定。因此此时需增加燃油油量，其他参数如TET、空气流量、压比都随之增加。需要补充一点，此时自由涡轮的转速需要适应性地降低才能保持输出功率恒定。

在保持TET不变的时候，高压涡轮效率降低，但高压涡轮前的参数均不会产生任何变化。因此此种控制策略下，高压涡轮效率降低，不会改变TET、燃油油量。

5结论

本文从海洋环境中热腐蚀的诱发因素——海盐气溶胶开始研究，分析了热腐蚀机理，总结归纳了热腐蚀对涡轮叶片的影响，建立了CT7-8A发动机模型以及典型SAR任务模型，并选取了四组由热腐蚀引起的性能衰减案例进行模拟分析，得出以下结论：

（1）热腐蚀会造成涡轮叶片表面粗糙度增加，表层脱落，改变叶型参数。此外腐蚀反应会导致内部材料特性退化，增加叶片断裂的风险，给发动机安全运行造成巨大安全隐患。

（2）热腐蚀给发动机性能带来的不利影响主要是涡轮叶片的流通量变化以及涡轮效率的降低两个方面。

（3）在功率恒定的控制模式下，热腐蚀造成的流通面积变化，不论增大还是减小，均会导致发动机涡轮前温度增加，使热端部件工作在高温状态，造成叶片寿命的提前损耗。

（4）在涡轮前温度恒定的控制策略下，热腐蚀前期，流通面积减小时，会降低燃油消耗，而随着运行时间的增长，叶片表层剥落，流通面积增加，燃油消耗会随之增加。

参考文献

[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.