渦軸發(fā)動機(jī)的清洗技術(shù)淺析

黃軻

【摘 要】直升機(jī)所搭載的渦軸發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于長期受到旋翼下洗氣流的影響，灰塵雜質(zhì)非常容易進(jìn)入發(fā)動機(jī)的內(nèi)部氣流通道并在葉片或通道內(nèi)形成沉積物，容易導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降，喘振和超溫等故障。定期或視情地對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗維護(hù)能夠有效地提高發(fā)動機(jī)的可靠性，對延長其使用壽命也具有重要意義。因此，在日常維護(hù)中，發(fā)動機(jī)的清洗技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的維護(hù)措施。

【Abstract】During the operation of the turbo-shaft engine carried by the helicopter， due to the long-term influence of the downwash airflow of the rotor， dust impurities can easily enter the internal air-flow passage of the engine and form deposits in the blade or passage， which can easily cause faults of the engine， such as engine power drop， surge and over-temperature. Cleaning and maintenance of the engine regularly or on condition can effectively improve the reliability of the engine， and it is also of great significance for prolonging the service life of the engine. Therefore， in daily maintenance， engine cleaning technology has become an important maintenance measure.

【關(guān)鍵詞】渦軸發(fā)動機(jī)；清洗； 維護(hù)

【Keywords】 turbo-shaft engine； cleaning； maintenance

【中圖分類號】V235.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）03-0184-03

1 渦軸發(fā)動機(jī)概述

渦軸發(fā)動機(jī)（圖1）是航空渦輪軸發(fā)動機(jī)的簡稱，屬于渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的一種，其特點(diǎn)是輸出軸功率，大多應(yīng)用于直升機(jī)上，其核心機(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪（燃?xì)鉁u輪和自由渦輪）三部分組成。燃?xì)饣旌蠚庠谌紵疫M(jìn)行充分燃燒帶動渦輪使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而驅(qū)動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動以及通過傳動部分帶動旋翼轉(zhuǎn)動。

2 清洗原因與背景

固定翼飛機(jī)通常都是飛行于已知的、空域條件良好的航線上，且必須在跑道上進(jìn)行起落。而直升機(jī)大多運(yùn)行于地形復(fù)雜或惡劣氣象條件下的環(huán)境，故而出現(xiàn)了直升機(jī)的事故率顯著高于固定翼飛機(jī)且飛行壽命與固定翼飛機(jī)相比明顯較低的情況。而且直升機(jī)自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，承受交變載荷的旋轉(zhuǎn)部件較多，這一特點(diǎn)也使得直升機(jī)的安全裕度更低。

如果直升機(jī)的運(yùn)行長期處于污塵過多的環(huán)境下，容易導(dǎo)致壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子葉片上形成附著物，如果葉片表面長期覆蓋附著物，葉片攻角會發(fā)生變化，從而使葉片形狀發(fā)生改變，葉片開始變得粗糙，阻礙發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流的流通，結(jié)果便是導(dǎo)致壓氣機(jī)的增壓比和效率降低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)軸功率降低和油耗增大。尤其是在直升機(jī)地面起飛時(shí)，吸進(jìn)的灰塵量最大，而隨飛行高度的升高灰塵濃度會逐漸下降，其性能會隨著發(fā)動機(jī)的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間增加逐漸惡化。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動機(jī)的總體性能衰減，主要來源于壓氣機(jī)性能的衰退。在高溫、高濕度環(huán)境下運(yùn)行的直升機(jī)，很有可能出現(xiàn)壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片被腐蝕的危險(xiǎn)情況，壓氣機(jī)葉片變形會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)喘振，甚至?xí)霈F(xiàn)葉片斷裂的情況，嚴(yán)重威脅到飛行器的安全，圖2、圖3為某型渦軸發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂實(shí)例。

如果直升機(jī)在鹽霧重或濕度大的環(huán)境下運(yùn)行，潮濕的空氣導(dǎo)致發(fā)動機(jī)實(shí)際引入的干空氣量減少，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的軸功率減小，潮濕的環(huán)境還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)金屬部件的腐蝕、橡膠件的老化以及電氣裝置受氧化。此外，發(fā)動機(jī)葉片上的沉積物還會影響發(fā)動機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的平衡系統(tǒng)，引起惡劣的發(fā)動機(jī)振動，嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)使用壽命。

因此，在直升機(jī)的使用維護(hù)過程中定期或視情地對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的維護(hù)舉措，對發(fā)動機(jī)尤其是壓氣機(jī)（圖4）的清洗能有效去除內(nèi)部葉片上的沉積物，提高發(fā)動機(jī)的使用效率，降低部件的腐蝕程度，保證了渦軸發(fā)動機(jī)的安全可靠性。

3 清洗的方式和要求

選擇哪種清洗劑是進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗工作的關(guān)鍵點(diǎn)，清洗劑的成分主要是有機(jī)化合物，分為溶劑型、水基型兩類。選擇或研制清洗劑時(shí)應(yīng)根據(jù)外界溫度（OAT）的高低、清洗工作目的、發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流通道所用的材料類型等來進(jìn)行綜合考慮。在清洗過程中使用的清洗劑首先要確保能達(dá)到清洗目的，還要保證不會對發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣流通道內(nèi)的金屬或非金屬材料造成腐蝕。例如，鈦合金材料的機(jī)件所使用的清洗劑不能包含三氯乙烷等氯化物。

渦軸發(fā)動機(jī)的清洗防護(hù)，通常是在發(fā)動機(jī)冷轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。綜合各方面因素，日常維護(hù)時(shí)對渦軸發(fā)動機(jī)的清洗要求如下：

①有效性。不論是發(fā)動機(jī)的防腐、除鹽，還是恢復(fù)性能，成效一定要明顯。②安全性。在實(shí)施清洗操作時(shí)一定要注意安全可靠，不能因清洗工作而造成對渦軸發(fā)動機(jī)的損壞或產(chǎn)生維修故障。③經(jīng)濟(jì)性。所需成本低，工作量不能過大，操作簡單。④規(guī)范性。必須有一套關(guān)于清洗過程的嚴(yán)格規(guī)范，且在實(shí)施中嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

對渦軸發(fā)動機(jī)的清洗是消除發(fā)動機(jī)內(nèi)部沉積物的有效措施，無論是對于恢復(fù)發(fā)動機(jī)的性能，還是發(fā)現(xiàn)和預(yù)防發(fā)動機(jī)故障都能起到?jīng)Q定性的作用。發(fā)動機(jī)內(nèi)沉積物通常分為灰塵油脂和鹽類沉積物，清洗的方式通常分為冷清洗和熱清洗兩種[2]。

冷清洗是在發(fā)動機(jī)處于冷轉(zhuǎn)時(shí)，向發(fā)動機(jī)內(nèi)噴入按比例調(diào)好的清洗劑和蒸餾水混合液，達(dá)到除鹽效果，故而冷清洗又叫“除鹽清洗”，因?yàn)檫@項(xiàng)清洗操作是發(fā)生在發(fā)動機(jī)冷轉(zhuǎn)狀態(tài)期間的，故不會造成發(fā)動機(jī)的熱腐蝕。

熱清洗是在發(fā)動機(jī)處于慢車狀態(tài)時(shí)向發(fā)動機(jī)內(nèi)噴入清洗劑，從而清除掉葉片上的沉積物，達(dá)到降低腐蝕，恢復(fù)發(fā)動機(jī)性能的作用。熱清洗相比冷清洗優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，能夠更加有效地去除沉積物，達(dá)到清洗目的；缺點(diǎn)在于其清洗劑多為易燃化合物，若操作不當(dāng)容易出現(xiàn)超溫，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燒壞[1]。

以某型采用渦軸發(fā)動機(jī)為例，該型發(fā)動機(jī)使用的是單元體設(shè)計(jì)模式，其清洗環(huán)節(jié)主要分為：

洗滌過程：將放氣活門置于關(guān)閉位，斷開相關(guān)的管路，并將斷開的部分用堵頭堵上，拆下燃燒室余油活門作為沖洗液的出口。準(zhǔn)備好清洗劑和蒸餾水的混合清洗液，從壓氣機(jī)進(jìn)口噴入，3s后按住啟動電門來帶動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動，確保點(diǎn)火電路斷路器是拔出的（即不點(diǎn)火）。在9～11s內(nèi)噴入1L事先調(diào)配好比例的清洗液，確保N1轉(zhuǎn)速不高于10%，按需要重復(fù)這項(xiàng)清洗循環(huán)。

沖洗過程：確保點(diǎn)火電路斷路器是拔出的，將清洗液換成干凈蒸餾水向壓氣機(jī)內(nèi)噴入，在噴入的3s后按住起動電門，大約5～10s內(nèi)噴入0.5～1 L的蒸餾水，并重復(fù)循環(huán)。

干燥運(yùn)轉(zhuǎn)過程：恢復(fù)管路連接和余油活門，取下放氣活門的堵頭將放氣活門置于開位。在慢車轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)5min來盡可能除掉殘余的水分。

對該型發(fā)動機(jī)清洗前后的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，參數(shù)數(shù)據(jù)包括N1轉(zhuǎn)速（燃?xì)獍l(fā)生器），N2轉(zhuǎn)速（自由渦輪），壓氣機(jī)增壓比和渦輪膨脹比，將這些參數(shù)數(shù)據(jù)代入到已建立好的部件級性能模型方程中進(jìn)行計(jì)算，得出發(fā)動機(jī)在某穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的工作參數(shù)，由此得出清洗前后發(fā)動機(jī)的性能比對。

參數(shù)變化情況體現(xiàn)該渦軸發(fā)動機(jī)在有效清洗后的油耗率和渦輪前總溫降低，軸功率及扭矩有所提高。

4 結(jié)語

根據(jù)分析得出對渦軸發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗后，其總體性能得到提高。隨著發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)的不斷提高，發(fā)動機(jī)可從飛行器上拆下直接進(jìn)行簡單、便捷的清洗維護(hù)工作。當(dāng)前，航空發(fā)動機(jī)公司在發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)之初，就已將發(fā)動機(jī)的清洗維護(hù)工作納入其設(shè)計(jì)考慮范圍之內(nèi)，發(fā)動機(jī)使用單元體的設(shè)計(jì)構(gòu)型，有專門設(shè)計(jì)的清洗接頭，使用指定配比的清洗液對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗維護(hù)。不論是發(fā)動機(jī)的除鹽清洗，還是性能清洗，都在發(fā)動機(jī)冷轉(zhuǎn)狀態(tài)期間進(jìn)行操作，使清洗維護(hù)工作更加安全可靠，經(jīng)濟(jì)性也更好。目前，渦軸發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)已經(jīng)成為外場直升機(jī)維護(hù)最為重要的有效措施之一。

【參考文獻(xiàn)】

【1】楊帆.某型航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)試驗(yàn)臺計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2009.

【2】李博.航空發(fā)動機(jī)燃滑油散熱器熱動力性能研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2008.