常鸿雯，李艳军
（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）
摘要：军用飞机在沙漠地区和浓烟浓雾地区执行任务时，航空发动机往往会吸入大量的砂粒和灰尘。这些砂粒和灰尘会磨蚀航空发动机压气机叶片，以及堵塞涡轮叶片冷却通道，使航空发动机的性能降低、维修成本增加。通过对航空发动机吞砂试验的技术研究，了解国内外航空系统对吞砂试验的工作要求、试验方法，以及试验介质等方面的相关规定，为后期开展的航空发动机吞砂试验提供技术支持。
关键词：航空发动机；吞砂试验；工作要求；试验方法；试验介质
中图分类号:V241.06文献标志码:A文章编号：1002-2333（2019）08-0126-02 Technical Analysis of Sand Ingestion Test on Aero-engine
CHANG Hongwen,LI Yanjun
（AECC Shenyang Engine Research Institute,Shenyang110015,China）
Abstract:When military aircraft carry out missions in desert areas and dense smoke areas,aero-engines often suck in a mass of sand and dust.The sand and dust erode the aero-engine compressor blades and clog the turbine blades cooling channels,it reduce the performance of the aero-engine and increase maintenance costs.Technical research of sand ingestion test on aero-engine are carried out to understand work requirements,test methods,regulations and difference of test medium in sand ingestion test of the domestic and international air system,it provides technical support for aero-engine sand swallowing test which will be carried out in the late stage.
Keywords:aero-engine;sand ingestion test;working requirements;test method;test medium
0引言
军用飞机在比较恶劣的环境（如沙漠地区、浓烟浓雾地区等）执行任务时，发动机往往会吸入由风、飞机尾迹扬起的或漂浮于空气中的砂粒和灰尘。砂石和灰尘颗粒具有强烈的磨蚀性，可使压气机工作叶片和静子叶片薄的尾缘和尖部磨蚀，降低压气机的工作效率。小的砂粒进入涡轮，会堵塞涡轮叶片冷却空气孔，使涡轮叶片超温甚至烧蚀，从而导致发动机性能衰减、寿命降低，严重制约发动机的使用范围[1-4]。据美国军方统计，砂尘环境也会使发动机耗油率和维修成本增加，实际使用寿命大大降低。
为了满足我国航空发动机设计定型的需要，从工作要求、试验对象、试验介质、试验方法等方面开展技术研究，为后期开展的发动机吞砂试验提供技术支持。
1航空发动机吞砂试验的工作要求
1.1航空发动机吞砂试验工作要求的内容
发动机吞砂试验是指在地面环境条件下，按照国家军用标准规定的状态，利用喷砂装置持续、均匀地向发动机进气道喷射符合要求的砂粒，以此来评估发动机在砂尘条件下的工作能力。
我国GJB241A-2010《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》和JB242-1987《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》中对“发动机吞砂试验”的具体要求：发动机包括所有附件在内，在空气含砂尘浓度0.053g/m3的地面环境条件下，应能在整个工作范围内满意地工作。发动机及其附件应能在规定的砂尘浓度及最大连续推力状态下（或最大连续功率状态下）工作，总工作时间至少10h，其推力损失不大于5%，耗油率增加不大于5%，并且不影响推力瞬变的能力。
1.2航空发动机吞砂试验工作要求提出的原因
根据JSSG-2007A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机联合使用规范指南》附录中的说明，飞机在砂尘环境中执行任务，发动机会吸入大量的砂尘，砂尘会导致发动机零件磨蚀损伤，并有磨蚀压气机转子叶
片和静子叶片薄的尖部和尾缘的趋势。众所周知，较细的砂尘颗粒有可能堵塞涡轮冷却空气孔，使涡轮叶片超温甚至烧蚀。在国外砂尘试验中发现低熔点砂熔化后黏到涡轮叶片叶身上，使表面涂层剥落。部分地区的土壤硫、钙和镁的含量高，在高温的作用下，硫酸钙和硫酸镁黏结在叶片上，侵蚀基底金属使之腐蚀。一份原始资料指出，在越南战争期间频繁地更换磨蚀损坏的直升机涡轮，美国政府估计每年要花费1.5亿美元。因此，应保证发动机在砂尘条件下的正常工作能力，并同时了解不同砂石成分对燃烧室和高压涡轮的影响。
1.3航空发动机吞砂试验工作要求的分析
发动机遭遇一定浓度的砂石和灰尘颗粒的时间，在很大程度上取决于发动机和飞机具体的使用状况。美国JSGS-87231A《航空涡喷涡扇涡轴涡桨发动机通用规范》中明确指出，每单位尺寸的发动机吞砂量取决于空气中砂石的浓度和试验的持续时间，浓度53mg/m3试验50h可相当于浓度530mg/m3试验5h。针对具体型号的发动机及所装飞机使用地区的特点，可以根据飞机的任务环境在型号规范中明确。地面附近的砂粒粒径最大，随着高度增
126
2019年第8期网址：www.jxgcs电邮：hrbengineer@163
加，砂粒粒径迅速减小，可以想象一架在地面上处于低功率状态的直升机发动机，可能比悬停在离地几英尺高处于高功率状态的发动机遭受更严重的砂石损伤。所以，砂尘试验应充分考虑砂尘的浓度、成分、颗粒大小，以及悬停高度、持续时间和功率状态。目前的砂石试验（固定的浓度、时间和功率状态范围）是发动机砂尘磨蚀易损性的良好标准，但是不可能绝对代表外场真实经历。
对于所有类型的发动机，上述推力或功率损失应在恒定的涡轮温度下进行验证。倘若在恒定的控制功率设定状态验证，发动机推力或功率损失会小些。这是因为对于风扇转速等于常数的发动机控制系统，当部件恶化时，有使推力增加的趋势。耗油率的损失应在恒定的推力或功率输出条件下进行验证。
2航空发动机吞砂试验的试验要求
2.1航空发动机吞砂试验的试验要求的内容
在GJB241A-2010和GJB242-1987中将吞砂试验作为新型发动机设计定型试验项目之一，并对试验要求做了如下规定：试验发动机在最大连续推力下（或最大连续功率状态下），进行持续10h的运转，并按第1.1节的要求，把砂子污染物引入发动机进气口。在每运转1h的过程中，发动机应至少进行一次到慢车的减速和到最大连续推力（或最大连续功率）的加速，并在0.5s内移动油门杆。如果发动机装有防冰系统，在第1h的运转过程中，防冰系统应接通10次（每次工作1min）。在全部试验中，应对从发
动机中引出飞机系统最大引气量的空气进行连续过滤，测量总沉积物的重量，并写入报告。试验完成后，将发动机分解，检查发动机零件的磨损程度以及砂可能进入发动机内部空气冷却系统危险区域的程度。如已达到第1.1节要求的性能标准，且分解检查未发现破坏或即将破坏的迹象，则应判定为试验合格。
2.2航空发动机吞砂试验的试验要求的说明
我国军用规范与美国JSSG的区别是不区分粗砂试验和细砂试验，对试验状态和试验时间的要求非常明确，即发动机应在最大连续推力（或最大连续功率）的状态下，进行持续10h的运转。这主要是由于我国军用规范并没有根据各型号的不同任务和不同作用来进行调整，同时在1994年发行该标准时美国应该还没有2h加速试验的相关内容。从美军相关资料可知，不同发动机的试验要求并不相同，如空军ATF砂石和灰尘要求是MIL-E-5007D 和MIL-E-8593A中的砂石和灰尘污染要求，在空气含砂尘浓度为53mg/m3，持续时间为2h，推力损失和耗油增加不超过10%，但有的发动机则要求持续时间为20h。对于压比较高的发动机而言，功率和耗油率损失的恶化系数近似相等。对于直升机发动机，其压比较低，功率损失比耗油率损失得更快。
3航空发动机吞砂试验的试验对象和介质
3.1试验对象
根据GJB2026-1994《航空涡喷涡扇发动机吞砂试验要求》的相关规定，进行吞砂试验的发动机必须满足下列要求：1）试验发动机的零件目录和结构应与定型试验持久试车的发动机相同；2）试验发动机应具备在最大连续推力状态下连续运转10h的能力，且其推力瞬变性能符合详细规范要求；3）试验发动机的起动应符合GJB241的
4.3.3.4条规定，即应使用
比起动转矩与转速特性曲
线规定的最小所需转矩高
5%以内的起动机进行起
动；4）试验发动机应在试
验开始前由承制方和订货
方协商指定。
3.2试验介质
3.2.1介质成分和粒度
GJB2026-1994规定
除另有要求外，试验用砂尘的粒度及分配比例按表1执行。以400μm尺寸的砂尘为例，计算其所占百分比，从表1可知，粒度大小为400μm时，小于该尺寸的颗粒的质量百分比为82%~86%，则该尺寸的砂尘质量百分比为14%~ 18%。
3.2.2用砂量计算
根据文献[5]可知，发动机吞砂试验时每小时所需吞砂量按公式（1）计算：
m=3600·Q·R
1000·ρ。（1）式中：m为发动机的吞砂量；Q为空气流量，kg/s；R为砂尘浓度，g/m3；ρ为发动机进口空气密度，kg/m3。
4结论
通过对航空发动机吞砂试验的技术研究，初步得到了如下结论：
发动机型号
1）砂尘环境易使发动机推力降低，耗油率和维护成本增加，为提升发动机的工作能力，世界各国纷纷开展相关研究，吞砂试验已被列为发动机设计定型试验项目之一。
2）目前，我国国军标并没有根据航空发动机的作战任务和作用来区分粗砂试验和细砂试验，试验状态和持续时间也未根据实际情况进行调整，建议在后期的工作中，应在型号规范中明确相关内容。
[参考文献]
[1]何光宇，李应红，柴艳，等.航空发动机压气机叶片砂尘冲蚀防护
涂层关键问题综述[J].航空学报,2015,36(6):1733-1743. [2]王春凤.排砂用引射器复杂通道设计研究[D].南京：南京航空航
天大学,2012:1-7.
[3]况开鑫.整体式进气粒子分离器特性研究[D].南京：南京航空航
天大学,2011:1-7.
[4]马志宏，李金国，张景飞.军用装备砂尘环境试验技术[J].装备环
境工程,2007,4(6):30-33.
[5]马昌，魏海涛.一种航空发动机吞砂试验方法[J].科学技术与工
程,2015,15(18):239-242.
（责任编辑邵明涛）
作者简介：常鸿雯(1973—)，男，本科，高级工程师，主要从事设备设计与支持研究工作。
收稿日期:2019-01-28
表1砂尘粒度及分配比例
粒度大小/μm质量百分比/%
1000100
90098~99
60093~97
40082~86
20046~50
12518~22
753~7
127
网址：www.jxgcs电邮：hrbengineer@1632019年第8期
发布评论