本发明涉及航空发动机环境试验技术领域，具体是一种航空发动机吞砂实验用粗砂及其制备方法和应用。
背景技术：
航空器在沙漠等恶劣环境条件下起飞和降落时，砂尘颗粒对发动机冲击磨损十分严重。例如，直升机、运输机在沙漠地带起降时，气流诱导、携带砂尘颗粒高速吸入发动机，致使压气机叶片遭受砂尘可怜的冲击和磨损，其外形和结构完整性遭到严重破坏，导致发动机性能衰减、寿命降低，严重影响作战性能。
砂尘颗粒冲蚀是指具有一定初速度和粒径范围的砂尘颗粒流过材料表面时，造成材料表面渐近性冲击磨损的现象。
航空发动机吞砂实验可以考核砂尘环境条件下航空发动机的使用性能。其中，吞砂实验用砂是实验的关键，砂尘特性如粒径、椭圆度等直接影响和决定着砂尘对发动机的损伤程度。粒径是指颗粒的直径；椭圆度是指砂尘平面投影的外接椭圆的长轴和短轴之比的统计值。吞砂实验用砂尘作为实验的原材料，应该与实际环境相一致或接近，以达到模拟环境对发动机影响程度的目标。因此，吞砂实验用砂子军事装备、军用直升机、运输机和民用装备吞砂实验考核中占有重要的地位。
我国不同地域砂尘的典型结构、典型粒径和典型成分分布不一。目前，还没有统一的有效的与环境实验相匹配的吞砂实验用砂。目前，美国在砂尘相关标准的制定方面走在了世界前列，其实早在1940年，为考核汽车和重型装备空气过滤装置，美国就已经从亚利桑那州自然环境选取砂尘开始进行试验。在试验中发现，因为受自然界温度、湿度和气候环境影响，即便是同一地点砂尘的特性差异仍较大，实验数据的不稳定给考核带来一定的困难。为此，美国开始自研标准砂和相关标准，1979年前，通用汽车公司分部火花塞公司发明了球磨亚利桑那沙粒制造粉尘的方法，生产两个等级的试验粉尘。1981年pti公司开始制定滤清和航空试验污染杂质的标准，直至2016年pti公司仍然在对相关标准进行更新。另外，美国军用标准如mile-5007、mil-av-e-8593f等都对航空发动机考核用粗砂进行了规定。这一系列的标准使美国牢牢掌握了砂尘制备的关键技术以及砂尘产品的考核标准，并且美国的pti公司是目前世界最大的砂尘供应厂商。由于基础研究工作开展较晚，我国标准砂尘和相关标准一直依赖于进口，而国内现有相关制砂企业均主要面向于建筑建材、单晶硅制备等行业，没有形成我国具有自主知识产权的试验砂尘产品。
技术实现要素：
为了克服现有技术中存在至少部分技术问题，发明人对我国各地域自然界砂尘进行了深入研究，通过对我国各地域自然界砂尘取样进行大量收集、测试与表征，发现能够被沙漠典型风速8.9m/s卷起的砂尘粒径为1000μm以下，砂尘主要成分为二氧化硅，其中会掺杂有铝、铁、钙、钾、钠、镁以及钛等成分。依据地域不同，砂尘成分组成变化较大，以氧化硅为例，各地域砂尘含量差异在10％以上。为此，发明人综合考虑各地域砂尘粒径、成分构成，并综合各粒径、成分对吞砂效果的影响，设计了能够代表我国各地域砂尘的综合特征的航空发动机吞砂试验用粗砂尘。至少部分地基于上述内容完成了本发明。具体地，本发明包括以下内容。
本发明的第一方面，提供一种航空发动机吞砂实验用粗砂(有时简称为“本发明的粗砂”)，所述粗砂包括55～60重量份的二氧化硅、10～20重量份的三氧化二铝、7～9重量份的铁氧化物、6～8重量份的氧化钙、5～6重量份的氧化钾、4～6重量份的氧化钠和大于0至1以下重量份的氧化镁。
本发明的航空发动机吞砂实验用粗砂优选由上述量的成分组成。本发明的航空发动机吞砂实验用粗砂除了上述成分外，还可含有1重量份以下的杂质，优选杂质的含量为0.5重量份以下，更优选0.1重量份以下，进一步优选0.05重量份以下。需要说明的是，本发明的杂质是指生产过程中不可必免地引入的成分，其优选对影响本发明的效果，或至少在1重量份以下的含量范围内不影响本发明的效果。
本发明的粗砂中二氧化硅的量一般为55～60，优选56～59重量份，更优选57～58重量份。三氧化二铝的量一般为10～20重量份，优选12～18重量份，更优选14～16重量份。铁氧化物的量一般为7～9重量份，优选7.2～8.8重量份，更优选7.5～8.5重量份。氧化钙的量一般为6～8重量份，优选6.5～7.8重量份，更优选6.8～7.5重量份。氧化钾的量一般为5～6重量份，优选5.2～5.8重量份，更优选5.4～5.6重量份。氧化钠的量一般为4～6重量份，优选4.5～5.5重量份，更优选4.6～5.2重量份。氧化镁的量一般为0-1重量份，优选0.01～0.9，更优选0.1～0.8。
在某些实施方案中，本发明的铁氧化物的实例包括三氧化二铁和四氧化三铁。本发明可使用上述两种物质中的任意一种，或者可以使用组合使用上述两种物质。在组合使用两种铁氧化物的情况下，两者的用量比不特别限定，基于重量可以0.5～1.5:1。
在某些实施方案中，本发明的航空发动机吞砂实验用粗砂的粒径需大于0但为1000μm以下，优选0.01μm以上至1000μm以下，更优选0.1μm以上至1000μm以下。
在某些实施方案中，本发明的航空发动机吞砂实验用粗砂在各粒径范围内累计重量百分比分布为：900～1000μm为1％～2％，优选1.4％～1.8％，600～1000μm为3％～7％，优选4％～6％，400～1000μm为14％～18％，优选16％～17％，200～1000μm为45％～54％，优选48％～50％，125～1000μm为78％～82％，优选为80％～81％，75～1000μm为93％～97％，优选94％～96％。
在某些实施方案中，本发明的航空发动机吞砂实验用粗的椭圆度为1～8，优选1～5。
本发明的第二方面，提供一种航空发动机吞砂实验用粗砂的制备方法，其包括以下步骤(1)至(4)：
步骤(1)除杂：
从矿石原料中甄别原矿石，所述原矿石的的成分包括二氧化硅、三氧化二铝、铁氧化物、氧化钙、氧化钾、氧化钠和氧化镁。其中二氧化硅的量一般为55～60，优选56～59重量份，更优选57～58重量份。三氧化二铝的量一般为10～20重量份，优选12～18重量份，更优选14～16重量份。铁氧化物的量一般为7～9重量份，优选7.2～8.8重量份，更优选7.5～8.5重量份。氧化钙的量一般为6～8重量份，优选6.5～7.8重量份，更优选6.8～7.5重量份。氧化钾的量一般为5～6重量份，优选5.2～5.8重量份，更优选5.4～5.6重量份。氧化钠的量一般为4～6重量份，优选4.5～5.5重量份，更优选4.6～5.2重量份。氧化镁的量一般为0-1重量份，优选0.01～0.9，更优选0.1～0.8。
步骤(2)破碎：
采用两步破碎发对原矿石进行破碎，初次破碎至最大直径在5cm以下，再次破碎至最大直径为1.0mm～1.5mm，由此得到破碎矿石。
步骤(3)筛分：
对所述破碎矿石进行筛分，对粒径小于1.5mm的砂粒进行粒径分级，得到所需粒径尺寸的砂。
步骤(4)配砂：
将制备的各粒径的砂按比例要求配制成得到所述粗砂。
需要说明的是，除了上述步骤(1)～(4)之外，在步骤(1)～(4)之间或步骤(1)～(4)前后还可包括其他可选的步骤。这些步骤的实施可进一步优化本发明的方法。例如在步骤(1)和(2)之间可进一步包括对步骤(1)得到的原矿石进行水洗和干燥步骤。其具体可包括例如，用水清洗步骤(1)得到的原矿石，去除矿石表面杂质、污垢及附着物，然后，自然干燥2～5小时，以除去原矿石表面的水分。
本发明的步骤(2)中，破碎的方法不特别限定，优选采用选自锤式破碎机、圆锥破碎机和制砂机组成的组中的至少之一的设备进行破碎。
本发明的步骤(3)中，对破碎矿石进行筛分的方式不特别限定，优选例如选自筛选法、风选法和水选法组成的组中的至少之一。本发明可组合使用上述两种以上的方法进行筛分。
本发明的第三方面，提供一种航空发动机吞砂实验方法，其包括使用本发明第一方面所述的粗砂的步骤。
本发明的航空发动机吞砂实验用粗砂成分及其粒径质量百分比与实际接近，粒径分布合理，形状适当，具有典型代表性，满足模拟不同区域砂尘环境条件下试验要求。本发明采用两级破碎，方法合理，制备的粗砂的粒径分布和结构均匀。本制备方法工艺简便，制备成本低、产砂量大、适合工业化生产。可制备不同粒径的砂，椭圆度在1～8范围内。
本发明粗砂尘产品通过综合考虑各地域砂尘粒径、成分构成，及各粒径、成分对吞砂效果的影响，经过合理配比得到具有各地域环境典型代表性的粗砂尘产品，产品粒径范围代表了各地域中可被典型风速卷起的砂尘尺寸，成分构成覆盖各地砂尘典型成分，砂尘椭圆度有效反应了各地域砂尘的形状。
本发明采用两级破碎、多法筛分，有效保证制备的粗砂粒径分布和结构均匀；设备均为常用设备，成本低、产砂量大、适合工业化生产，可制备不同粒径的砂尘。
本发明的粗砂尘产品有效解决使用来自全国不同地域的砂尘典型形貌、典型粒径与典型成分分布不一的难题，结束了目前我国航空发动机粗砂吞砂试验考核无国产砂可用的现状，满足国军标gjb1171-91等对发动机考核用砂的要求。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。除非另有说明，否则“％”为基于重量的百分数。
实施例1
本实施例是一种示例性航空发动机吞砂实验用粗砂及其制备。
本实施例的粗砂具体制备过程包括：
第一步，选矿：对原矿石进行甄别，原矿的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁/四氧化三铁、氧化钙、氧化钾、氧化钠、氧化镁，其中各成分的质量百分比分别为：二氧化硅55％，三氧化二铝15％，三氧化二铁和四氧化三铁9％，氧化钙8％，氧化钾6％，氧化钠6％，氧化镁1％；
第二步，水洗：利用自来水清洗第一步得到的所需成分矿石，去除矿石表面杂质、污垢及附着物；
第三步，去除水分：对水洗后的矿石自然干燥2小时，以去除矿石表面的水分；
第四步，破碎：利用反击式破碎机将矿石破碎至最大直径5cm以下，使用圆锥破碎机将小于5cm的矿石破碎至椭圆度为8、最大直径在1.5mm以下；
第五步，筛分：采用筛选法对第四步得到的粒径小于1.5mm以下的砂进行粒径分级，分别得到粒径为900～1000μm、600～900μm、400～600μm、200～400μm、125～200μm、125～200μm、75～125μm和75μm以下的砂；
第六步，配砂：将得到的各粒径的砂按下述粒径的质量百分比混合，得到航空发动机吞砂实验用粗砂：
粒径为900～1000μm的含量为1％～2％，600～900μm为2％～5％，400～600μm为11％～11％，200～400μm为31％～36％，125～200μm为33％～28％，75～125μm为15％～15％，75μm以下为3％～7％。所述百分比为质量百分比。
经测试，本实施例得到的粗砂成分及其粒径质量百分比与实际接近，粒径分布合理，形状适当，具有典型代表性，满足模拟不同区域砂尘环境条件下实验要求。
实施例2
本实施例是一种示例性航空发动机吞砂实验用粗砂及其制备方法。其制备粗砂的具体步骤包括：
第一步，除杂：对原矿石进行甄别，原矿的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁/四氧化三铁、氧化钙、氧化钾、氧化钠、氧化镁，其中各成分的质量百分比分别为：二氧化硅60％，三氧化二铝10％，三氧化二铁/四氧化三铁9％，氧化钙8％，氧化钾6％，氧化钠6％，氧化镁1％；剔除杂质含量高的矿石，得到所需成分的矿石；
第二步，水洗：利用自来水清洗第一步得到的所需成分矿石，去除矿石表面杂质、污垢及附着物；
第三步，去除水分：对水洗后的矿石自然干燥5小时，将第二步水洗的矿石表面的水分去除；
第四步，破碎：利用反击式破碎机将矿石破碎至最大直径5cm以下，使用圆锥破碎机将小于5cm的矿石破碎至最大直径在1.0mm以下；
第五步，筛分：采用风选法对第四步得到的破碎矿石进行筛分，对粒径小于1.0mm的砂进行粒径分级，分别得到粒径为900～1000μm、600～900μm、400～600μm、200～400μm、125～200μm、125～200μm、75～125μm和75μm以下的砂；
第六步，配砂：将得到的各粒径的砂按下述比例要求配制成所需形状和尺寸粗砂：粗砂粒径累计质量百分比构成为：900～1000μm的含量为2％，600～1000μm为7％，400～1000μm为18％，200～1000μm为54％，125～1000μm为82％，75～1000μm为97％，0～1000μm为100％。
制备的粗砂椭圆度为1。满足gjb1171-91航空发动机吞砂实验用砂要求。
实施例3
本实施例是一种示例性航空发动机吞砂实验用粗砂及其制备方法。其制备粗砂的具体步骤包括：
第一步，除杂：对原矿石进行甄别，原矿的主要成分为二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁/四氧化三铁、氧化钙、氧化钾、氧化钠、氧化镁，其中各成分的质量百分比分别为：二氧化硅58％，三氧化二铝16％，三氧化二铁/四氧化三铁8％，氧化钙7％，氧化钾5.2％，氧化钠5％，氧化镁0.8％；剔除杂质含量高的矿石，得到所需成分的矿石；
第二步，水洗：利用自来水清洗第一步得到的所需成分矿石，去除矿石表面杂质、污垢及附着物；
第三步，去除水分：对水洗后的矿石自然干燥3小时，将第二步水洗的矿石表面的水分去除；
第四步，破碎：利用反击式破碎机将矿石破碎至最大直径5cm以下，使用圆锥破碎机将小于5cm的矿石破碎至最大直径在1.2mm以下；
第五步，筛分：采用水选法对第四步得到的破碎矿石进行筛分，对粒径小于1.2mm的砂进行粒径分级，分别得到粒径为900～1000μm、600～900μm、400～600μm、200～400μm、125～200μm、125～200μm、75～125μm和75μm以下的砂；
第六步，配砂：将得到的各粒径的砂按下述比例要求配制成所需形状和尺寸粗砂。
粗砂粒径累计质量百分比构成为：900～1000μm的含量为1.5％，600～1000μm为5％，400～1000μm为16％，200～1000μm为50％，125～1000μm为80％，75～1000μm为95％，0～1000μm为100％。
制备的粗砂椭圆度为5。满足gjb1171-91航空发动机吞砂实验用砂要求。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。