通用型清洗設備設計研究

宋志佳， 吉海云， 劉元周， 袁肖民

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引 言

航空發動機工作環境復雜，不僅經受風吹、日曬、雨淋、溫度梯度的劇烈變化，還要經受大氣中因現代工業廢氣、粉塵的排放而產生的大量鹽堿氣液所帶來的機體表面化學腐蝕及電化學腐蝕。工業粉塵、發動機封嚴裝置泄漏的少量滑油被吸入發動機后，便會附著在壓氣機葉片上，使葉片表面變得粗糙、葉片形狀發生改變，從而降低壓氣機的效率，降低發動機的喘振裕度。

為了延長發動機的裝機時間，在一定程度上恢復發動機的性能，發動機清洗技術已經廣泛應用于航空領域。鄭永靖等[1]指出東方航空公司武漢分公司利用自制發動機清洗車對CFM56-7發動機清洗后EGT裕度恢復將近30℃，對CFM56-3發動機清洗后EGT裕度恢復超過15 ℃。劉運華[2]指出用傳統的清洗方法很難清洗掉發動機葉片死角處搪瓷狀垢物，需要經過清洗液的浸泡、溶解、稀釋、沖刷才能達到更有效的清洗，該方法已經在新疆庫爾勒執行任務的飛機上應用多年。杜來林等[3]針對直九型直升機發動機內部的壓縮機及渦輪葉片的清洗設計了Z9FDQX型發動機清洗車，該清洗車不僅可以清除灰塵、油垢，使發動機恢復性能并降低故障概率，還可以清除鹽堿腐蝕，延長發動機的使用壽命。李本威等[4]針對某型艦載機的特殊進氣道結構設計了噴射支架并進行強度計算與振動分析。

目前，大多數研究者主要側重于航空發動機清洗技術的研究，而對清洗設備（尤其是功能集成的通用化設備）的研究較少。本文設計了一種飛機、發動機通用清洗設備，既能夠對不同型號的飛機機身進行沖洗，沖掉機身表面的污漬，又能夠對發動機進行清洗，恢復發動機性能。

1 工作原理

該清洗設備由泵提供動力，將清洗用液體從箱內泵出，通過回水管路中的電動調節閥控制回水量，從而調節出水管路的壓力進行不同型號飛機、發動機的清洗。管路中設有流量傳感器，用于監測清洗液體的流量，確保滿足發動機的清洗要求。泵后設置溢流閥，若泵后管路中壓力過高，則溢流閥開啟，保證泵及管路安全，防止發生危險。沖洗過程結束后，可以使用壓縮空氣將管路中液體吹出，防止環境溫度較低時將管路凍壞。清洗設備工作原理如圖1所示，該設備主要由水箱、清洗劑箱、過濾 器 、泵、調節閥門、液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、軟管及清洗噴桿組成。

圖1 工作原理圖

2 結構設計

清洗設備采用整體單元結構設計，可以利用螺栓固定安裝在室內，通過加長輸送管路對飛機、發動機進行清洗，也可以通過簡單改裝安裝至車輛上，移動至飛機附近進行清洗工作。清洗設備主要分為設備主體、出液管路及清洗噴桿等3部分。

2.1 設備主體

為了最大限度地減小清洗設備的體積，設備主體采用立體化布局。底座及框架由槽鋼焊接而成，既保證了足夠的支撐強度，又方便安裝。底座上設置接水槽，用于收集設備主體因故障及維修過程泄漏的液體，接水槽邊緣設置排液口，用于導出接水槽內液體，在一定程度上保持了設備主體安裝空間的干凈、整潔。電動機、高壓泵安裝于接水槽上的安裝座上，各種閥門、傳感器則設置于電動機、高壓泵的正上方，保證了足夠的維修空間。水箱及清洗劑箱共用一個箱體，安裝于高壓泵的斜上方，箱體分為兩個區，分別用于裝水和清洗劑。水箱及清洗劑箱頂部均設置空濾器，用于噴水過程中空氣能夠及時地補充至相應的箱體內。考慮到清洗劑的用量較小，加注頻率較低，因而清洗劑箱的空濾器除了具有向箱體內補充空氣的功能，其安裝口還可用于向箱內加注清洗劑。水箱注液口設置過濾器及電磁閥，確保能夠遠程控制對水箱補充潔凈的水用于飛機、發動機的清洗。水箱及清洗劑箱均安裝液位計及液位傳感器，液位計能夠直接在本地顯示出箱體內液體高度，而液位傳感器則可以將采集的信號直接傳輸至控制箱從而參與到沖洗站的控制之中。箱體兩側均設置人孔蓋，用于清理、清洗水箱及清洗劑箱。

2.2 出液管路

出液管路由鋼管及軟管組成，液體在鋼管內流動過程中壓力損失較小，因此清洗設備主體至專用清洗機位間用鋼管進行連接，而考慮到清洗操作的便利性，采用DN20橡膠軟管將清洗液體輸送至飛機、發動機進行清洗工作。

2.3 清洗噴桿

作為通用型清洗設備，除了能夠為清洗工作提供充足的壓力及清洗用液體外，還要根據不同的飛機、發動機清洗接口提供合適的清洗噴桿。

2.3.1 機身清洗噴桿

機身沖洗主要是利用清洗噴桿噴射出的高速水流將飛機飛行過程中外表面沉積的鹽霧、灰塵、油污、氧化物等污染物洗掉，以減少摩擦阻滯、腐蝕等情況。

清洗設備的機身沖洗噴桿主要由不銹鋼材質制成，通過快換接頭與橡膠軟管進行快速連接。考慮到不同機型清洗要求的差異，設計了多種清洗噴嘴供噴桿選擇性安裝。如某型飛機機身沖洗過程中，既要盡可能將機身表面沖洗干凈，又要確保水流沖擊不會對機身產生影響，因而噴嘴的設計噴射流量不大于35 L/min，既可以扇形噴射，沖洗掉機身表面的附著灰塵，又可以經過調整后以水柱形式噴射，增加對頑固污漬的噴射力度，增強噴射沖洗效果。

2.3.2 大涵道比渦扇發動機清洗噴桿

大涵道比渦扇發動機的耗油率低、噪聲小，被廣泛用于大型民用和軍用運輸機及其他大型亞聲速飛機。航空公司一般按照規定的時間、頻率進行清洗，但當發動機排氣溫度與穩態設計值之間裕度減小時，通常需要進行計劃外清洗，清洗后可使排氣溫度降低約20 ℃。

該大涵道比渦扇發動機清洗噴桿主要由鉤形噴桿、夾座、快換接頭等部分組成，如圖2所示。鉤形噴桿可沿順航向9點鐘、3點鐘位置從發動機外涵流道，沿分流環伸入風扇出口，鉤形噴桿出口對準增壓級入口，鉤形噴桿通過夾座夾緊在短艙內轉接環上。鉤形噴桿的彎管處安裝一段橡膠軟管，防止使用過程中磨損發動機分流環。為了確保使用安全，鉤形噴桿彎管部分最外沿與風扇葉片的最小距離不小于10 mm。夾座由硬度較低的金屬制成，按照發動機內轉接環形狀進行開槽，安裝至發動機內轉接環后用螺釘固定。

圖2 大涵道比渦扇發動機清洗噴桿

2.3.3 小涵道比渦扇發動機清洗噴桿

小涵道比渦扇發動機的推力大、速度高，通常用于戰斗機上。戰斗機發動機的工作環境更加復雜，超低空突防的沙塵、近海面飛行的鹽霧、島礁駐扎的濕熱無一不對發動機造成嚴峻考驗，而發動機的清洗則能夠有效防止發動機葉片腐蝕，并且在一定程度上恢復發動機的性能。

某型小涵道比渦扇發動機在設計之初便考慮到后期的清洗維護工作，因而在進氣機匣預置了清洗噴嘴，發動機日常維護清洗過程中只需要將清洗管路連接至噴嘴的接口即可。發動機在恢復性能清洗過程中需要專用的高壓壓氣機清洗噴桿。如圖3所示，高壓清洗噴桿由噴嘴、噴桿管、墊片、安裝螺母、壓緊螺母及快換接頭組成。清洗過程中，將噴桿沿高壓壓氣機孔探孔插入至發動機內，旋轉90°使噴嘴卡緊在發動機內涵孔探孔，此時再將安裝螺母擰到外涵孔探孔，最后用壓緊螺母將墊片壓緊，防止清洗過程中液體沿噴桿流出對飛機造成影響。

圖3 小涵道比渦扇發動機清洗噴桿

對于設計過程中未考慮清洗維護的小涵道比發動機，則需要在飛機進氣道安裝噴射支架進行日常維護清洗工作。

3 電氣控制系統設計

電氣控制系統以可編程控制器為主控制器，將各個功能旋鈕、按鈕及指示燈布置于遠程控制箱面板，面板上設置顯示屏，能夠實時顯示清洗設備的工作狀態。設備出現故障時，控制面板上報警指示燈亮起，同時伴隨著蜂鳴器的響起，使操作者能夠及時了解故障的發生并作出判斷。

4 操作和使用

按照清洗流程向水箱及清洗劑箱加注液體，液體不超過液位計最高控制線。連接電源線，通電檢查各個電器元件是否正常工作，對于故障元件應維修或者更換。按照清洗流程選擇清洗噴桿，機身沖洗時需要手持噴桿，而發動機清洗則需要打開飛機和發動機上相應的口蓋使噴桿與發動機相連。控制面板上選擇沖洗模式，發動機進行冷運轉，按下控制面板沖洗按鈕進行沖洗流程。沖洗結束后，若室外溫度較低，則需要利用壓縮空氣將管路中殘余的液體吹出，避免管路結冰凍裂。

當水箱內液體低于液面下限控制值時，注水電磁閥自動開啟進行注水，而當液面到達上限控制值時，電磁閥關閉，停止注水。

5 結 語

該通用型清洗設備結構簡單，操作方便，通過增加渦軸、渦噴、燃氣輪機等其它發動機清洗噴桿后即可進行幾乎所有飛機、發動機的清洗工作，能夠有效滿足機場、部隊等飛機、發動機清洗工作的需要，在一定程度上減少保障設備的數量。