海洋環(huán)境下葉片腐蝕預(yù)測(cè)分析

黃興隆

摘 要：本文基于公開文獻(xiàn)所查詢到的大氣數(shù)據(jù)，建立起隨著高度變化的海鹽氣溶膠模型，并應(yīng)用于典型海上搜救任務(wù)，結(jié)合合理的反應(yīng)勢(shì)能和冷凝假設(shè)，計(jì)算出葉片上硫酸鈉的沉積率。基于鎳基合金IN 738LC的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立不同涂層的腐蝕模型，將沉積率與腐蝕率關(guān)聯(lián)起來，模型較好地吻合了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出正確的定性以及定量趨勢(shì)。利用該腐蝕模型，對(duì)不同涂層下葉片的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

關(guān)鍵詞：渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);熱腐蝕;渦輪葉片;腐蝕率

中圖分類號(hào)：V263.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）09-0102-03

對(duì)于在海岸邊或者海洋環(huán)境中運(yùn)行的動(dòng)力設(shè)備，高溫環(huán)境下的腐蝕現(xiàn)象很普遍，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。熱腐蝕引起了普遍關(guān)注，越來越多的學(xué)者開始研究其機(jī)理，試圖尋找降低損失的有效辦法。對(duì)于海洋環(huán)境下運(yùn)行的航空發(fā)動(dòng)機(jī)來說，海洋大氣中的鹽分會(huì)與燃油中的硫在高溫下產(chǎn)生反應(yīng)，生產(chǎn)腐蝕性的硫酸鈉鹽，并在葉片上沉積，誘發(fā)葉片腐蝕，造成葉片材料退化，改變?nèi)~片葉型，降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，降低葉片使用壽命，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的發(fā)動(dòng)機(jī)事故。開展葉片涂層研究以及鹽霧環(huán)境下的葉片壽命預(yù)測(cè)都可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，避免葉片斷裂故障的發(fā)生。

1 研究目的和方法

本文旨在研究海洋大氣中鹽霧濃度與葉片腐蝕率之間的關(guān)系。作者通過研究海洋大氣環(huán)境中的海鹽氣溶膠（Sea-salt Aerosol，SSA）分布規(guī)律，計(jì)算出葉片表面硫酸鈉鹽的沉積率。基于腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立一個(gè)合理的腐蝕模型，并結(jié)合鹽分沉積率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的腐蝕率進(jìn)行預(yù)測(cè)，為發(fā)動(dòng)機(jī)在復(fù)雜海洋環(huán)境下的安全運(yùn)行提供參考信息。

2 海鹽氣溶膠模型

海鹽粒子是海洋大氣質(zhì)量占比最大的粒子，其在空氣中以氣溶膠的形式存在，對(duì)海洋天氣的形成、大氣層中的硫循環(huán)以及電磁波傳播的影響頗大。

目前對(duì)于海鹽氣溶膠濃度的研究主要集中在海面低空區(qū)域，尚無全球分布預(yù)測(cè)模型。觀測(cè)數(shù)據(jù)較為齊全的是NASA的大氣斷層掃描項(xiàng)目（Atmospheric Tomography Mission，ATom）。該項(xiàng)目是為了研究全球氣候和空氣質(zhì)量受人類活動(dòng)的影響以及自然變化趨勢(shì)，系統(tǒng)性地收集了65°S～80°N、高度范圍從0km～12.5km范圍內(nèi)的氣體及氣溶膠數(shù)據(jù)，對(duì)甲烷、臭氧和海鹽等成分進(jìn)行了測(cè)定。Murphy和Froyd[1]等基于ATom數(shù)據(jù)，標(biāo)定出海鹽氣溶膠分布趨勢(shì)如圖1所示。該圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表緯度4°內(nèi)750m高度范圍內(nèi)的平均值。為減小時(shí)間影響，忽略地理位置帶來的變化，本文取各緯度同一高度濃度值的平均值，建立海鹽氣溶膠與高度之間的簡(jiǎn)化單一參數(shù)模型。

3 硫酸鈉鹽的沉積率計(jì)算

對(duì)于海洋和海岸邊的環(huán)境，熱腐蝕主要是由于燃油中的硫、釩以及海洋大氣中的氯化鈉引起。燃燒產(chǎn)生的SO2、SO3與NaCl反應(yīng)生成Na2SO4，反應(yīng)方程式如公式（2）所示。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的燃燒產(chǎn)物之一V2O5作在上述反應(yīng)中起到催化劑的作用，能降低硫酸鹽的熔點(diǎn)，促進(jìn)腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，但其催化性能與含量不關(guān)聯(lián)，因此其生成量無需計(jì)算。硫酸鈉沉積率與發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量、燃油消耗量以及渦輪葉片面積相關(guān)。

3.1 搜救任務(wù)

本文選取海洋搜救直升機(jī)S-92作為研究對(duì)象，其任務(wù)剖面為圖2所示典型搜救任務(wù)。S-92直升機(jī)是由兩臺(tái)GE CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的中型多用途直升機(jī)，在國(guó)際上被廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)和民用市場(chǎng)。搜救任務(wù)分為地慢、起飛（爬升）、巡航、盤旋、降落（下降）五個(gè)狀態(tài)。

根據(jù)CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)公開數(shù)據(jù)，本文作者利用克蘭菲爾德大學(xué)的性能計(jì)算軟件Turbomatch進(jìn)行匹配建模，最終確定該型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)功率為1879kW，油耗76.02?g/J，燃燒室出口溫度（TET）1268k，空氣流量10kg/s。搜救任務(wù)各階段中發(fā)動(dòng)機(jī)的功率選擇以及飛行高度特性見直升機(jī)任務(wù)譜圖3。

3.2 硫、鈉元素的含量

根據(jù)性能模擬計(jì)算，累加搜救任務(wù)各階段消耗的燃油，可得出執(zhí)行單次任務(wù)消耗的燃油量為1389kg，根據(jù)英國(guó)國(guó)防標(biāo)準(zhǔn)91-91中對(duì)航空煤油的含硫量限制要求，不得高于0.3%，因此單次任務(wù)中引進(jìn)的硫含量為4.168kg。

鈉來源于空氣中的SSA，將搜救各階段的空氣流量乘以其所處高度下的SSA濃度，可以計(jì)算出單次任務(wù)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)的SSA質(zhì)量為0.27g。由于SSA起源于海水，而且新形成的SSA粒子成分與海水一致，本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將SSA的成分等同于鹽度為35的海水，其中鈉離子的質(zhì)量占比為30.8%。因此，可計(jì)算出單次任務(wù)攝入的鈉離子質(zhì)量為0.08414g。此外，也可計(jì)算出SSA中帶來的硫含量為0.00707g，與燃油中所含硫相比，此數(shù)值可忽略不計(jì)。

3.3 葉片面積

燃燒時(shí)產(chǎn)生的硫化物與鈉鹽反應(yīng)生成硫酸鈉鹽，主要附著燃燒室后方渦輪葉片上，本文假設(shè)所有沉積鹽均附著在燃?xì)鉁u輪前兩級(jí)，即燃?xì)鉁u輪導(dǎo)向器和一級(jí)葉片上。由于CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片沒有公開數(shù)據(jù)，因此選擇如圖4所示的渦輪葉片進(jìn)行代替，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)直徑假設(shè)數(shù)量為50片，并且忽略導(dǎo)向器流道與一級(jí)轉(zhuǎn)子流道的差異，取其面積與燃?xì)鉁u輪一級(jí)葉片一致。經(jīng)計(jì)算，前兩級(jí)的葉片面積為7200cm2。

3.4 沉積率假說

Ahluwalia和IM[2]提出了多個(gè)氣態(tài)硫酸鈉生成和冷凝的假說，本文作者選取其中理想化的假說：理想化學(xué)平衡延伸至氣態(tài)硫酸鈉的形成以及冷凝。在這個(gè)理想化的情況下，渦輪膨脹足夠慢，氯化鈉或氫氧化鈉完全轉(zhuǎn)化，而且氣體在渦輪中的停留時(shí)間長(zhǎng)，氣態(tài)硫酸鈉的冷凝時(shí)間充足。

本假說成立有兩個(gè)前提條件：（1）NaCl轉(zhuǎn)化成Na2SO4的化學(xué)反應(yīng)活化能為0。該觀點(diǎn)已被從量子化學(xué)的角度證明。（2）大氣溫度低于氣態(tài)硫酸鈉凝結(jié)的露點(diǎn)。低于露點(diǎn)溫度，硫酸鈉會(huì)以液態(tài)形式凝結(jié)在葉片上，而露點(diǎn)溫度與燃油中的硫百分比、空氣中鈉粒子含量以及環(huán)境壓力有關(guān)。CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)內(nèi)部環(huán)境條件：硫的含量0.3%，空氣中鈉質(zhì)量占比是0.658ppm，大氣壓力10～20個(gè)大氣壓，該狀態(tài)下硫酸鈉的露點(diǎn)在1299K～1373K。CT7-8A發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度最高為1268K，低于露點(diǎn)，因此該前提條件成立。