航空发动机吞砂试验标准砂与典型沙粒形貌对比分析

曾 林 ，程 礼 ，2，李 宁 ，陈 皎 ，李思路

（1.空军工程大学，西安710051；2.先进航空发动机协同创新中心，北京100191；3.西安交通大学机械工程学院，西安710049；4.中国人民解放军95478部队，重庆401329）

0 引言

强风将地面上的土壤颗粒卷入空中造成的视程障碍现象，包括沙尘暴、扬沙和浮尘[1]。飞机在起降过程中，发动机往往会吸入由风或飞机旋翼、尾迹扬起的浮尘或沙粒（沙粒适用于自然层面，砂粒适用于工程、矿物或制造层面，因此下文中与标准砂相关时使用砂粒，与其它自然沙相关时均使用沙粒），吸入沙粒会对发动机造成很大伤害，大的沙粒可能导致压气机叶片磨蚀，效率下降，而小的沙粒可能导致涡轮冷却空气孔堵塞并引起涡轮叶片烧蚀[2，3]，并可能进入轴承腔，污染滑油，磨蚀轴承[4-7]。为了测试发动机吞砂后的工作能力，世界几大航空强国均将新型发动机的吞砂试验作为设计定型的必要测试项目。早在20世纪80年代，美国GE公司就根据《发动机叶片材料耐砂蚀（颗粒侵蚀）性测试规范》（MIL-STD-3033），对TF34和CF-6发动机进行吞砂试验；英国罗罗公司根据NATO标准完成了奥林巴斯593发动机吞砂试验；俄罗斯也根据GOST相应标准完成了TB2-117发动机吞砂试验，很好地检测了航空发动机抗沙尘的能力，并以此为根据指导航空发动机的设计与制造，取得了良好的效果[8]。国内科研和工业部门敏锐地发现了这个趋势，及时制定了相应标准，因此中国军标《航空涡轮喷气和涡轮风扇发动机通用规范》（GJB 241A）和《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》（GJB 242）也把新型发动机吞砂试验规定为发动机设计定型的关键试验项目之一[9]，吞砂试验采用标准砂，由于北约NATO吞砂试验标准与美军标MIL-STD-3033制定方式类似，相似度较高，中国吞砂试验军标参考俄罗斯GOST吞砂试验标准和美军标MIL-STD-3033设置，而且美国的吞砂试验标准砂应用最广泛，因此将美国航空发动机吞砂试验标准砂与中国典型沙粒进行形貌对比分析对吞砂试验标准砂的应用合理性具有很强的指导意义与验证意义。美国军标MIL-STD-3033规定试验用标准砂为经破碎的石英石形成的合成矿物石英砂，要求砂粒均匀分布，并能通过直径为240～550μm的筛孔[10]；中国军标GJB 1171-91规定试验用标准砂为含SiO2成分90%以上的碎石英粉末，按粒子尺寸分布分为试验粗砂尘和试验细砂尘[11]。然而，上述标准中对标准砂的形貌特征要求都不明确，因此在航空学界对吞砂试验标准砂的形貌是否对航空发动机伤害最大一直存在疑虑。

为此，本文提出了沙粒形貌特征的新统计表述方法——数字图像获取、沙粒圆度（沙粒图片实际面积与其外接圆面积之比）分析、标尺对比与观察统计、振动转换与跟踪、统计指标比较，并且对采购自美国的航空发动机吞砂试验用标准砂与中国海南、福建厦门、腾格里沙漠和塔克拉玛干沙漠等典型地区沙粒的形貌特征（形状、大小、圆度、颜色）[12]进行了对比分析，为航空发动机吞砂试验的科学性与客观性提供了重要支撑。

1 吞砂试验及标准砂

1.1 吞砂试验

航空发动机吞砂试验，是指在地面条件下，航空发动机工作在规定状态，持续、均匀地吞入砂尘的试验[6]。应满足军标确定的砂尘粒度百分比、质量和发动机工作状态、工作时间等参数。依据吞砂试验的结果，结合军标规定判断新发动机是否合格。发动机包括所有附件在内，应能在整个工作范围内、最高5级砂尘环境（砂尘质量分数为0.053 g/m3）下正常工作；应能在最大连续功率状态、规定的砂尘环境下总工作持续时间达10 h以上，其功率损失不大于5%．耗油率增加不大于5%，且不影响功率变换能力[13]。

1.2 中国标准砂与美国标准砂[10-11，13-14]

GJB 2026-1994规定吞砂试验使用包括90%尖角结构石英砂，砂尘应做净化处理，不含碳化物和有机物，保持砂尘干燥，必要时进行烘干处理。各颗粒大小比例见表1。

表1 GJB 2026规定试验用砂尘粒度分配比例

试验用砂按照规范使用石英砂，用筛网分出粒度为 900、600、400、200、125、75 μm 的砂尘，按标准百分比配制成试验砂尘。试验用砂配比见表2。

表2 试验用砂尘配比

除另有规定外，试验时发动机进口砂尘质量分数应为0.053 g/m3。

美国军标MIL-STD-3033规定:侵蚀物是经断裂石英石形成的合成矿物石英砂，可将石英石粉碎或压制获得，切勿用水冲洗。使用大型工业筛网（依照ASTM E11）筛分，砂粒应该穿过直径为240～550μm的筛孔。

2 沙粒形貌特征提取方法与特征指标

2.1 沙粒形貌特征提取方法

以美国标准砂为例说明。

在20世纪80年代之前，由于受技术限制，传统筛分、目视、网格化测量等方法是研究分析沙粒的常用方法，误差较大，统计也不够全面；其后，随着计算机技术与数字处理技术的发展，数字照相与数字图像处理的方法运用到沙粒形态分析中，现代已经采用3维方法和化学分析方法对沙粒进行研究，由于本文只需要比较几种沙粒形貌对航空发动机的破坏能力大小，数字照相与数字图像处理对此类问题具有简便快捷、分析准确、统计全面等优点[15-17]，因此本文采用该方法对沙粒的形貌特征进行统计分析。

（1）数字图像获取。在1袋砂粒中随机取出一小部分，将其置于黑底的光学显微镜载物台上，随后移动镜头，对有代表性区域的砂粒拍照，得到大量黑底砂粒数字图片，如图1所示。

（2）砂粒圆度分析。用圆度计算程序对所有照片进行处理，利用分布率表格方法统计出不同圆度区间的砂粒数目与比例（结果见表3），从而对砂粒的外形特点有直观地认识。

图1 美国标准砂照片（放大30倍）

表3 标准砂圆度统计

（3）标尺对比与观察统计。观察大量数字照片，并且与照片中的标尺照片进行比对，通过伯努利实验方法得出砂粒的形状、大小、颜色[12]的参数与特点，如图2所示。

（4）振动转换与跟踪。随机选取少量砂粒，不断对载物台施加人为振动，分别拍下每颗砂粒处于不同方位的黑底投影照片，对这些照片进行圆度处理，计算每颗砂粒不同位置圆度值的标准差，把5颗砂粒振动转换与跟踪所得圆度值的5个标准差值再次求标准差（结果见表4），得到该砂粒的均匀度，表示砂粒形状的一致性（如果均匀度比较大，那么砂粒的形状类型就比较多）。

图2 标尺图片（放大30倍，2条粗线间距1 mm）

表4 标准砂振动转换与跟踪圆度统计

标准砂圆度主要集中于0.4～0.9，大量砂粒图片与图中标尺对比可得标准砂粒径集中于0.30～0.60 mm。

经观察大量照片发现标准砂主要呈白色，形状复杂，多为不太规则的三角形、四边形以及椭圆形，边缘转角较尖锐。从表4中可见，每次振动转换与跟踪的标准差均很小，并且有些砂粒的多次振动转换与跟踪所得的圆度值较低，可以得出标准砂比较尖锐，棱角分明，且尖角分布较均匀。

2.2 标准砂的形貌特征指标

为了更加详细地描述沙粒形态，定义以下指标:

（1）均匀度:把5颗沙粒4次敲击跟踪所得圆度值的标准差再次求标准差，从而得到该沙粒的均匀度，表示沙粒形状的一致性。

（2）圆度分布:由于沙粒的圆度分布基本服从正态分布，故把1种沙粒的主要圆度分布区间在均值为0.65、标准差为1的正态分布中所占的概率定义为圆度分布，从而表示圆度分布的范围大小。

（3）粒径分布:由于沙粒的粒径分布基本服从正态分布，故把1种沙粒的主要粒径分布区间在均值为0.45、标准差为1的正态分布中所占的概率定义为粒径分布，从而表示粒径分布的范围大小。

经过计算得到:美国标准砂的均匀度为0.01894，圆度分布为0.1974，粒径分布为0.1192。

3 中国典型地区沙粒形貌特征指标分析

3.1 典型地区沙粒形貌特征

典型地区的沙粒形貌特征利用上述相同的方法得到。塔克拉玛干沙漠、厦门、海南和腾格里沙漠沙粒照片如图3~6所示，沙粒圆度见表5~8，沙粒振动转换与跟踪圆度统计结果见表9~11（塔克拉玛干沙漠沙粒过于细小，平均粒径比其它沙粒小1个数量级及以上，其外形对吞砂试验的影响可以忽略不计，而且对其进行振动转换与跟踪圆度统计较困难，因此对该种沙粒仅进行圆度统计）。

图3 塔克拉玛干沙漠沙粒照片

图4 厦门沙粒照片

图5 海南沙粒照片

图6 腾格里沙漠沙粒照片

表5 塔克拉玛干沙漠沙粒圆度统计

表6 厦门沙粒圆度统计

表7 海南沙粒圆度统计

表8 腾格里沙漠沙粒圆度统计

表9 厦门沙粒振动转换与跟踪圆度统计

表10 海南沙粒振动转换与跟踪圆度统计

表11 腾格里沙漠沙粒振动转换与跟踪圆度统计

3.2 典型地区沙粒形貌特征指标

利用上述方法计算分析得到典型地区沙粒的圆度、粒径、形貌特征指标参数与形貌分析如下:

（1）塔克拉玛干沙漠沙粒的圆度分布为0.1568，粒径分布为0.05829。沙粒圆度主要集中于0.6～1.0，对大量沙粒图片与标尺图片对比可知粒径集中于0.15～0.30 mm。

观察大量照片发现塔克拉玛干沙漠沙粒主要呈黄色，形状比较单一，多为椭球形，成因推测是沙漠刮风的打磨作用。因沙粒过于细小，故无法进行敲击跟踪，只对圆度进行统计。

（2）厦门沙粒的均匀度为0.02169，圆度分布为0.07878，粒径分布为0.1964。沙粒圆度主要集中于0.7～0.9，对大量沙粒图片与标尺图片对比可知粒径集中于0.30～0.80 mm。

观察大量照片发现厦门沙粒主要呈白色或透明色，形状复杂，主要是复杂多边形，边角尖锐，并且薄片状沙粒多，底面平整度不高。

（3）海南沙粒的均匀度为0.01112，圆度分布为0.07877 ，粒径分布为0.2723。沙粒圆度主要集中于0.7～0.9，对大量沙粒图片与标尺图片对比可知粒径集中于0.20～0.90 mm，还存在少数粒径为1.5～1.8 mm的大颗粒。

观察大量照片发现海南沙粒主要呈白色或土黄色，形状复杂，主要有边角尖锐的多边形和浑圆的圆饼状，并且薄片状砂粒多，底面平整度高。

（4）腾格里沙漠沙粒的均匀度为0.008320，圆度分布为0.1186，粒径分布为0.1186。沙粒圆度主要集中于0.6～0.9，对大量砂粒图片与标尺图片对比可知粒径集中于0.20～0.50 mm。

观察大量照片发现腾格里沙漠沙粒形状比较单一，多为不规则的三角形与四边形，边角尖锐，薄片状沙粒多，底面不平整。

为了直观表示各种沙粒的形貌特征，各种沙粒的圆度粒径汇总见表12，形貌特征指标参数汇总见表13。

表12 沙粒圆度粒径汇总

表13 沙粒形貌特征指标参数汇总

3.3 对比分析

为了便于各种沙粒间的对比分析，定义圆度分布比和粒径分布比2个参数。

（1）圆度分布比。将1种沙粒与标准砂的圆度分布的比值定义为该沙粒的圆度分布比，用来表示该沙粒圆度分布与标准砂的接近程度，越接近于1说明该沙粒圆度分布与标准砂的越接近。

（2）粒径分布比。将1种沙粒与标准砂的粒径分布的比值定义为该沙粒的粒径分布比，用来表示该沙粒粒径分布与标准砂的接近程度，越接近于1说明该沙粒粒径分布与标准砂的越接近。

各种沙粒的圆度分布比和粒径分布比见表14。

表14 中国典型沙粒圆度及粒径分布比汇总

基于表14的对比分析，可以得到以下分析结论:

标准砂的圆度值分布比其它典型地区的沙粒都低，几种典型地区的沙粒圆度分布比都较小，因此标准砂外形最尖锐，破坏性最大。一部分沙粒的粒径分布比大于1，一部分小于1，因此标准砂粒径分布适中，能够同时模拟多种砂粒环境，适合进行吞砂试验。

4 结束语

GJB2026-1994《航空涡喷涡扇发动机吞砂试验要求》和GJB242-1987《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》等军标在保证实际试验效果的情况下有时会简化对砂粒的各种要求，或者存在一定的不足，本文利用拍沙粒照片进行圆度处理和数理统计的方法对试验标准砂及典型地区沙粒（南海（海南）、东海（厦门）、腾格里沙漠、塔克拉玛干沙漠的沙粒和标准砂）的形貌特征（形状、大小、圆度、颜色）进行了分析，并利用均匀度、圆度分布比、粒径分布比等参数比较了其形态特点，得出以下结论:标准砂外形最尖锐，不同粒径的砂尘均按要求严格配比，与军标规定的材质要求结合起来基本能模拟自然环境下航空发动机遭受的所有严重吞砂损伤情况，试验表明利用标准砂进行航空发动机吞砂试验时对发动机的损伤最严重，因此可以一次性检验航空发动机吞砂能力，排除试验情况纷繁的干扰，同时也提高了发动机的安全工作裕度，最大程度地保证了发动机的安全使用。

本文的研究方法和结论完善了军标中相关内容，为航空发动机吞砂试验用砂的合理性提供了有力的论证。