■ 楊星 郝子晗 豐鎮(zhèn)平 / 西安交通大學(xué)

顆粒污染物在渦輪中的沉積會導(dǎo)致葉片的使用壽命、氣動效率和冷卻性能嚴重受損，影響發(fā)動機的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。隨著渦輪進口溫度的不斷提高以及先進冷卻技術(shù)的應(yīng)用，顆粒污染物在渦輪中沉積導(dǎo)致的問題更為突出，須加以重視。

航空發(fā)動機的經(jīng)濟性和可靠性除了受自身的影響，還與大氣環(huán)境密切相關(guān)。隨著重污染天氣以及火山噴發(fā)和沙塵暴等自然災(zāi)害的頻發(fā)，在飛行過程中吸入的顆粒污染物使得發(fā)動機的性能明顯下降，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致飛行事故。

顆粒污染物的來源與危害

航空發(fā)動機吸入的顆粒污染物主要包括風(fēng)扇吸入的火山灰、沙粒、粉塵、海鹽、碎片，以及航油燃燒時產(chǎn)生的顆粒物、灰燼與雜質(zhì)等。

世界氣象組織發(fā)布的2017年全球大氣顆粒污染物分布公報顯示，除了極地以及部分海洋區(qū)域外，全球大部分地區(qū)上空均有不同程度的顆粒污染物富集，多數(shù)集中在北半球熱帶、亞熱帶沙漠地區(qū)以及中亞和中蒙等中緯度沙漠地區(qū)[1]，如圖1所示。結(jié)合圖1中航線示意圖可以看到，航空發(fā)動機面臨的大氣顆粒污染物帶來的挑戰(zhàn)是全球性的且不可避免的。

圖2 2010年冰島火山噴發(fā)期間冰島至英國上空的火山灰衛(wèi)星云圖（來源：NASA）

圖3 飛機在沙塵環(huán)境中起飛

在所有大氣顆粒污染物中，火山灰又被稱為是全球航空業(yè)的“大殺手”之一。據(jù)統(tǒng)計，自1973年以來已有超過100起火山灰導(dǎo)致航空發(fā)動機發(fā)生故障的報告，包括9起發(fā)動機熄火的嚴重事故。表1總結(jié)了火山灰導(dǎo)致航空發(fā)動機發(fā)生故障的典型案例。最嚴重的事故當(dāng)屬2010年3月和4月冰島埃亞菲亞德拉火山兩次噴發(fā)導(dǎo)致整個歐洲上空火山灰密布[2]，如圖2所示，歐洲空域航線被迫關(guān)閉數(shù)周，直接經(jīng)濟損失高達17億美元。此次事件也引起了業(yè)界對航空發(fā)動機因吸入顆粒污染物導(dǎo)致故障問題的高度關(guān)注。

當(dāng)飛機遭遇沙塵環(huán)境時，發(fā)動機會吸入大量的沙塵及其他顆粒污染物[3]，如圖3所示。顆粒污染物對航空發(fā)動機帶來的危害極大，形式也十分多樣，主要體現(xiàn)在：高速氣流中的顆粒物對風(fēng)扇和壓氣機葉片產(chǎn)生很強的沖蝕作用，影響葉片壽命，產(chǎn)生的污垢一方面使得壓氣機的性能惡化、易于失速，還會堵塞發(fā)動機的二次空氣系統(tǒng)，影響后續(xù)部件的密封和熱端部件的冷卻；在燃燒室中，顆粒物會堵塞燃油噴嘴，引起燃燒壓力變化且影響燃燒效率、導(dǎo)致積炭，還會造成燃燒室筒壁冷卻孔堵塞、導(dǎo)致燃燒室襯套因高溫而燒毀；經(jīng)過燃燒室后，高速顆粒污染物在高溫燃氣中對渦輪葉片的侵蝕作用更加明顯，嚴重影響葉片的使用壽命，同時顆粒污染物在高溫作用下也很容易在渦輪葉片表面沉積，從而堵塞氣膜孔和內(nèi)部冷卻通道，不僅會導(dǎo)致渦輪氣動性能顯著退化，還致使葉片的冷卻性能嚴重下降，導(dǎo)致渦輪葉片被高溫?zé)g[4]（見圖4）。

與冷端部件壓氣機相比，高溫燃氣渦輪中顆粒污染物的沉積問題有4個特點：第一，除了從風(fēng)扇吸入顆粒物外，燃油在燃燒室中產(chǎn)生的高溫灰燼或者積炭也是渦輪顆粒污染物沉積的重要來源，隨著未來高密度碳氫燃料和生物質(zhì)燃料等可替代新能源的使用，這一問題還可能會進一步加??；第二，渦輪處于燃燒室下游，顆粒污染物在高溫燃氣中軟化或者熔化后更容易黏附于渦輪葉片表面，從而產(chǎn)生沉積；第三，渦輪葉片采用了冷卻技術(shù)，渦輪的氣動效率、冷卻性能以及顆粒污染物沉積三者之間存在復(fù)雜的相互干涉效應(yīng)；第四，渦輪中高溫燃氣的速度較高，顆粒污染物沖擊葉片導(dǎo)致的侵蝕更加嚴重。由此，結(jié)合表1和圖4所示實際案例可知，高溫燃氣渦輪面臨的顆粒污染物沉積帶來的問題更具有挑戰(zhàn)性。

渦輪中顆粒污染物的沉積機理及影響因素

氣體中顆粒污染物的沉積問題本質(zhì)上屬于氣溶膠科學(xué)的研究范疇。顆粒物的沉積問題研究最早是從簡單直通道開始的，且在多數(shù)研究中，顆粒物與壁面作用后并不反彈，而是全部黏附于壁面，研究內(nèi)容主要包括連續(xù)相雷諾數(shù)（Re）、流動方向、重力、顆粒物直徑以及溫度等對顆粒物遷移及沉積規(guī)律的影響，屬于基礎(chǔ)性研究，目的是為了揭示顆粒物的沉積機理。在航空發(fā)動機中，由于流動和幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，在高溫燃氣渦輪中還面臨著高溫、高壓、高馬赫數(shù)（Ma）、高動葉轉(zhuǎn)速以及非均勻來流等復(fù)雜嚴峻的熱流環(huán)境，因此研究航空發(fā)動機高溫燃氣渦輪中顆粒污染物的沉積效應(yīng)及機理面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

顆粒污染物在渦輪葉片表面的沉積研究主要涉及兩個方面：一是顆粒污染物隨主流的遷移運動；二是顆粒污染物沖擊葉片表面后的黏附沉積或者反彈運動。在顆粒污染物的遷移方面，根據(jù)顆粒動力學(xué)，影響顆粒污染物遷移運動的因素主要有：氣動力（包括氣動阻力）、渦泳、熱泳、重力、升力、布朗運動以及顆粒物自身的慣性動量，這些因素有效地構(gòu)成了顆粒物的遷移理論。在顆粒污染物沉積方面，決定顆粒污染物沖擊渦輪葉片后是黏附于葉片金屬表面還是被反彈的主要因素有燃氣溫度、葉片表面金屬溫度、沖擊速度以及顆粒污染物的彈塑性特征等，這些因素有力地支撐了顆粒污染物的沉積機理。驗證顆粒污染物沉積效應(yīng)最有效的方式是開展真實航空發(fā)動機的顆粒污染物沉積試驗。

美國在軍用發(fā)動機YF101-GE-100中開展的顆粒污染物沉積試驗結(jié)果如圖5所示[5]。然而在真實發(fā)動機條件下開展顆粒污染物沉積試驗的成本非常高，周期也很長，因此目前絕大部分試驗是在模擬條件下開展的。模擬試驗歸納起來主要有兩類：一類是高溫試驗，顆粒污染物采用與真實航空發(fā)動機中沉積物成分相同的物質(zhì)（如火山灰、沙粒、黏土等）；另一類是常溫試驗，顆粒污染物采用低熔點物質(zhì)。顆粒污染物是否處于熔化狀態(tài)是決定其在葉片表面是否黏附沉積的關(guān)鍵因素，因此兩類試驗方法均須保證顆粒污染物在進入渦輪葉柵時處于熔化狀態(tài)，這與發(fā)動機真實條件是相符的。

影響顆粒污染物沉積最為重要的因素是顆粒污染物的溫度、尺寸、形狀、成分及濃度等。

溫度的影響

溫度的影響包括燃氣溫度和壁面溫度。顆粒污染物黏附于葉片表面發(fā)生沉積主要取決于顆粒污染物是否處于熔化狀態(tài)。顆粒污染物沖擊壁面的作用時間非常短，來不急與壁面發(fā)生熱交換，顆粒物是否處于熔化狀態(tài)則主要取決于燃氣溫度，因此隨著燃氣溫度的升高，顆粒物在壁面的沉積量呈指數(shù)增加。葉片溫度決定了沉積層的黏性，從而影響沉積效率[6-7]，如圖6所示。在燃氣溫度大于顆粒物熔點時，葉片溫度越高，顆粒物的沉積現(xiàn)象越明顯，然而在燃氣溫度低于顆粒物熔點時，葉片溫度對顆粒物沉積影響不大。

顆粒污染物尺寸的影響

大尺寸顆粒物的比熱容較大，沖擊葉片表面時在壁面附近（熱邊界層中）得不到快速冷卻，而小尺寸顆粒物的比熱容較小，在壁面附近很快被冷卻至葉片溫度，因此隨著顆粒物尺寸的增大，葉片表面的顆粒物沉積量逐漸增多，且葉片溫度對顆粒物沉積的影響逐漸減弱。大尺寸顆粒物更容易黏附在葉片表面的另一個原因是其具有更大的動量，容易隨自身慣性沖擊壁面。一般采用無量綱斯托克斯（Stokes）數(shù)（Stk）來表征顆粒污染物對流場改變的反應(yīng)快慢。Stk越大，顆粒物越容易保持自身運動軌跡而不隨主流流動方向的改變而改變，因此越容易沖擊到葉片表面。

顆粒污染物化學(xué)成分的影響

航空發(fā)動機中的沉積物主要為沙粒、火山灰、粉塵和黏土等多種物質(zhì)，主要成分是氧化硅、硅酸鹽、氧化鈣、氧化鎂和氧化鋁等。多種成分組成的顆粒污染物的熔點一般低于單一成分顆粒污染物的熔點，因此顆粒污染物化學(xué)成分的影響主要是改變其熔點，導(dǎo)致在相同燃氣溫度下，顆粒污染物在葉片表面的沉積效率有所不同。由于顆粒污染物中的鈉、硫和釩等元素對渦輪葉片具有腐蝕作用，通常在燃油中加入含鎂元素的添加劑來抑制氧化釩和氧化硫等對葉片的化學(xué)腐蝕。

顆粒污染物濃度的影響

顆粒污染物的沉積效率主要受燃氣溫度及顆粒物大小的影響，其沉積量則主要受燃氣中顆粒污染物濃度的影響。據(jù)此，為了在試驗中短時間內(nèi)模擬航空發(fā)動機在真實條件下運行上萬小時才產(chǎn)生的沉積量，可通過增加顆粒污染物的濃度來實現(xiàn)，該方法被稱為加速沉積試驗法。圖7示出了經(jīng)過4h的加速沉積試驗后，渦輪葉片試驗件上產(chǎn)生了相當(dāng)于航空發(fā)動機實際運行25000h后產(chǎn)生的顆粒污染物沉積量[8]。

沉積物與渦輪葉片氣熱性能的相互作用

沉積物對渦輪氣動性能的影響

顆粒污染物在進入渦輪后通常沉積在葉片的前緣以及壓力面，改變了葉片的有效弦長以及原有型線，限制了氣流轉(zhuǎn)向，改變了氣流的進口以及出口角度；同時，由于沉積在壓力面的顆粒沉積物減小了渦輪葉柵通道喉部的有效通流面積，限制了燃氣流量，從而降低了渦輪的做功能力。在渦輪動葉中，大尺寸的顆粒污染物在離心力的作用下向葉尖遷移并且在葉尖附近沉積。由于顆粒沉積物中的某些成分對葉片有一定的化學(xué)腐蝕作用，葉尖相對較薄，顆粒污染物在此沉積會損壞葉尖結(jié)構(gòu)，從而增大葉尖間隙，使得泄漏流損失增加，降低渦輪效率。小尺寸的顆粒污染物具有更加分散的沉積分布特征，這增大了葉片表面的粗糙度，破壞了層流邊界層的形成，加速了邊界層由層流向湍流轉(zhuǎn)變。在此影響下，在葉片吸力面更容易出現(xiàn)流動分離或者轉(zhuǎn)捩點提前的現(xiàn)象，從而對渦輪的氣動性能產(chǎn)生影響。

顆粒污染物沉積與葉片換熱冷卻

圖8 不同氣膜孔間距和不同吹風(fēng)比下試驗件表面的沉積物分布情況

顆粒污染物的沉積與葉片換熱冷卻之間存在相互作用與影響的關(guān)系。沉積物增加了葉片表面的粗糙度，導(dǎo)致葉片表面的換熱系數(shù)大幅增強，同時可能堵塞葉片表面的氣膜孔，導(dǎo)致氣膜冷卻性能急劇下降。顆粒污染物還可能進入二次空氣系統(tǒng)在葉片內(nèi)部冷卻通道中沉積，改變內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)，削弱冷氣與葉片之間的換熱效果。相反，葉片表面的氣膜冷卻射流也會對顆粒污染物的沉積產(chǎn)生影響。冷氣射流既可以改變顆粒污染物的遷移軌跡，也會改變?nèi)~片表面的金屬溫度和顆粒污染物的溫度，從而影響顆粒污染物在葉片表面的沉積規(guī)律和特性[9]，如圖8所示。

事實上，顆粒物在葉片表面上的沉積是一個非定常過程。隨著沉積時間的增加，葉片表面的沉積物逐漸增厚，改變了葉片表面的狀態(tài)，從而影響顆粒污染物的沉積效率。同時，在發(fā)動機服役期間，葉片表面沉積物的厚度并不是一直增加的，而是在到達一定厚度后不再增厚，即顆粒污染物在葉片表面的沉積厚度在一定時間后會達到動態(tài)平衡。當(dāng)然，這種動態(tài)平衡會明顯地受到渦輪葉柵非定常流動特征的影響。

結(jié)束語

雖然航空發(fā)動機中顆粒污染物的沉積問題由來已久，但并未引起足夠的重視，相關(guān)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究還十分薄弱。渦輪葉柵內(nèi)部復(fù)雜流動中顆粒污染物的動態(tài)沉積特性，以及沉積物與渦輪葉片氣熱特性的耦合作用機制，將是未來研究需要重點突破的方向。在研發(fā)和設(shè)計階段充分考慮大氣顆粒污染物的沉積效應(yīng)，將是提高航空發(fā)動機市場競爭力的重要保障之一。