艦載渦軸發動機熱清洗初步研究及驗證

鄢駿 段輝 鄭益民

摘 要：對于長期在海洋環境中使用的艦載渦軸發動機，發動機清洗直接影響其使用壽命。隨著國產艦載直升機與日俱增，對渦軸發動機的艦上清洗維護提出了更高要求。本文對艦載渦軸發動機使用環境特點、熱清洗國內外發展現狀進行了分析介紹，并結合試驗驗證情況，對某型艦載渦軸發動機開展熱清洗進行了初步評估驗證，為后續研究工作打下基礎。

關鍵詞：艦載渦軸發動機;熱清洗;研究驗證

中圖分類號：V263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0132-03

0 引言

發動機清洗是現代航空發動機維護工作的重要組成部分，是發動機為適應不同使用環境，為保持或恢復發動機性能而采取的重要的主動防護措施，特別是對于艦載渦軸發動機，由于其長期處于海洋環境，大量鹽結晶物極易引起發動機葉片腐蝕，清洗工作的好壞直接影響發動機的使用壽命。本文對艦載渦軸發動機使用環境特點、熱清洗國內外發展現狀進行了分析介紹，并結合試驗驗證情況，對某型艦載渦軸發動機熱清洗情況進行了初步評估驗證，為后續工作打下基礎。

1 使用環境特點

1.1大氣環境特點

渦軸發動機因其低空使用特點，其在鹽霧環境、污染環境、沙塵環境等不良大氣環境（見表1）中工作時間較長，發動機進氣道、壓氣機葉片等流道零件上的往往會有不同的附著物，主要包括鹽漬、油脂、工業粉塵等。附著物一方面會產生腐蝕，另一方面會使葉片等零件表面粗糙、幾何形狀發生改變，導致發動機性能惡化，嚴重影響發動機使用。故發動機往往要通過清洗來清除相關附著物，恢復發動機性能。

艦載直升機任務區域主要在臨海海軍基地及其臨近海域，也會隨艦出海執行任務，污染及砂塵天氣較少，主要為鹽霧環境，發動機主要是受到鹽霧腐蝕，清洗的目的主要是除鹽。

1.2維護保障特點

艦載渦軸發動機維護與陸軍型相比，存在一些特殊性，艦船甲板空間有限，要求維護設備盡可能小且通用性強，清洗系統盡可能與發動機融合設計。由于艦載渦軸發動機長期在鹽霧環境下使用，為清除鹽分避免腐蝕，造成外場清洗頻次相當高，基本每日飛行結束后都會進行清洗。此外，因甲板空間有限，輪換率很高，要求直升機在盡可能短的時間內完成日常維護工作，從而發動機清洗時間長的問題不斷凸顯，如飛行后對發動機進行冷清洗，由于溫度限制（一般燃氣渦輪出口溫度需低于70℃～100℃），空、地勤人員需等待大約1h～2h，需長時間占用甲板，嚴重影響出勤率。

2 發動機清洗發展概況

2.1 發動機清洗的種類及定義

如上所述，因發動機使用的環境不同，其流葉片附著物各種各樣，附著力也不盡相同，但大致可以分為鹽分類和由砂塵、工業粉塵、昆蟲、油類等組成的油脂污垢兩類。它們對發動機影響作用形式有差異。鹽分主要通過發動機冷、熱腐蝕影響發動機壽命。而油脂污垢主要通過降低壓氣機效率影響發動機性能[2-5]。為清除這兩大類附著物，一般采用兩種清洗方式：冷清洗和熱清洗。

冷清洗一般是指發動機在冷運轉狀態，向發動機噴入清洗液或水清洗流道內的污漬。冷運轉狀態的持續時間較短，一般為幾十秒鐘，轉速低，相對安全可靠，對發動機工作穩定性以及對葉片的沖刷影響相對較小，但由于液滴與葉片的沖擊力降低，對清洗液本身的納污能力提出更高的要求。此外，由于在發動機冷運轉狀態下進行，需將發動機渦輪前溫度下降到一定數值后方可實施，等待時間長。典型采用冷清洗的發動機如美制T700系列發動機。

熱清洗一般是指發動機在運轉狀態時，向發動機噴入清洗液或水來清除流道內的污漬。熱清洗由于直接在運轉狀態下進行，可顯著縮短空地勤人員等待時間，特別是對艦載直升機，著艦后可直接進行清洗，減少占用甲板時間。且與冷清洗相比，發動機轉速較高，利用液滴與葉片的沖擊力可以達到更好的清洗效果，但同時熱清洗會引起短時間發動機的轉速、溫度變化，影響發動機工作穩定性。如果使用清洗劑，由于清洗劑一般為易燃有機化合物，當噴入的清洗劑過多時，存在瞬時超溫、爆燃等風險。故為降低風險，熱清洗一般都選擇在發動機地面慢車狀態進行，且嚴格控制噴入清洗液的流量。典型采用熱清洗的發動機如俄制TV3-117發動機。

2.2國內外渦軸發動機熱清洗現狀

2.2.1國外典型渦軸發動機熱清洗現狀

針對俄制海軍型TV3-117渦軸發動機進行了實地調研，并查閱了ARRIUS 2F、PT6B等國外發動機的清洗資料。主要情況如表2、表3。

由表中可以看出，法產的ARRIUS 2F、MAKILA 2A發動機以及ARRIEL系列發動機，既可以采用冷清洗也可以采用熱清洗進行除鹽清洗。美系的PT6系列發動機以及T700系列發動機，均采用冷清洗進行除鹽清洗。俄制的TV3-117發動機采用熱清洗方式進行除鹽清洗。考慮到水可以有效地溶解鹽分，故所有除鹽清洗均以清水為主要清洗液。

2.2.2國內渦軸發動機熱清洗現狀

根據已公布的資料，目前除引進的渦軸-8系列發動機外，其余國產渦軸發動機（例如渦軸-6、渦軸-9系列）均采用冷清洗進行除鹽清洗。

2.3 小結

綜上所述，渦軸發動機因使用環境特點，都將清洗作為重要的維護手段，不管是冷清洗還是熱清洗，各有優缺點，但考慮到艦載渦軸發動機的維護保障特點，熱清洗可顯著提高除鹽清洗效率，艦載渦軸發動機更多選擇采用熱清洗。熱清洗因其在發動機運轉時進行，因安全因素維護人員無法對發動機動力艙進行操作。且因清洗時轉速及溫度相對較高，對發動機短時間工作穩定性影響較大，長時間、高頻次的沖刷，也會對壓氣機葉片（包括流道涂層等）的結構強度及壽命產生較大影響。

3某艦載渦軸發動機熱清洗初步評估驗證

以某艦載渦軸發動機（以下簡稱發動機）為例，以除鹽為目的，開展熱清洗評估論證，選擇清水為熱清洗時的清洗液，因研究周期所限，本文主要是基于已有的試驗及結構數據從結構可行性以及發動機短時工作穩定性進行了初步評估，并對工作穩定性及清洗效果進行試驗驗證分析。

3.1分析評估

3.1.1清洗結構分析

發動機進氣機匣設置有專門的清洗噴口和內置管路[6]，發動機安裝至直升機后，直升機清洗管路與發動機進氣機匣的清洗接頭相連，將清洗液輸送到進氣機匣噴口，噴到壓氣機進口。而直升機動力艙外設置有清洗接口（如圖1所示），故發動機熱清洗時，維護人員無需對直升機動力艙進行操作，只需將清洗設備連接至直升機清洗接頭即可，具備實現熱清洗的硬件條件。

3.1.2發動機工作穩定性評估

熱清洗時需向發動機進口噴入清水，要求發動機具備一定的吞水能力。該發動機按照相關標準要求完成了吞水量占總進口空氣質量流量5%的吞水試驗[7-8]，在地面慢車狀態吞水時發動機耗油率下降約9%，燃氣渦輪出口總溫下降約8%，燃氣渦輪轉速基本保持不變，停止吞水后，發動機參數迅速恢復到吞水前水平，如圖2所示，可見發動機具備在一定流量下，穩定工作的能力。

3.2 試驗驗證

為摸清更大流量熱清洗對發動機短時工作穩定性的影響，同時評估清洗效果，在分析評估基礎上，開展了整機驗證試驗。考慮到整機試驗風險、周期等因素，認為短時間工作穩定性和清洗效果驗證是熱清洗的基本要求，試驗周期短，難度相對較小，而長時間高頻次熱清洗對發動機結構強度的影響驗證是一個長期的、系統的驗證過程，難度大、試驗周期長。故目前首先開展短時工作穩定性驗證及清洗效果驗證。

3.2.1工作穩定性驗證

雖然該型發動機已完成了吞水試驗，具備一定吞水能力，但考慮吞液量大，清洗效果會更好，故在吞水試驗基礎上，將地面慢車狀態熱清洗噴水量提高至發動機進氣質量流量的6%、7%、8%，試驗結果顯示，吞水過程中，除發動機燃氣渦輪出口總溫、轉速等參數有可接受的變化外，其余參數未見明顯變化，如表4，且清洗結束后各項參數迅速恢復。

3.2.2清洗效果驗證

為驗證發動機熱清洗的清洗效果，采用已驗證的最大流量，開展了三種污染狀況下的驗證試驗：采用20%濃度鹽水浸泡葉片;冷運轉吸入5%濃度鹽水;地面慢車吸入5%濃度鹽水。

為了便于對清洗前后含鹽量測定，減少發動機裝配次數，對1片壓氣機第四級靜子葉片進行改裝，可在整機狀態下進行拆卸（如圖3所示）。通過對該片葉片進行沖洗前后含鹽量對比來評估熱清洗的效果，并以清洗前后葉片含鹽量的差值與清洗前含鹽量的比值作為衡量清洗效果的標準[9]。

（1）20%濃度鹽水浸泡葉片后清洗效果。

本項共進行了3組對照試驗，試驗結果如表5，從表中可以看出平均除鹽率約為20%。

（2）冷運轉吸入5%濃度鹽水后熱清洗效果。

本項共進行了3組對照試驗，試驗結果如表6，從表中可以看出平均除鹽效率約為60%。

（3）地面慢車吸入5%濃度鹽水后熱清洗效果。

本項因發動機喘振，只共進行了1組對照試驗。未沖洗時葉片含鹽量為14mg、沖洗后含鹽量為8mg，除鹽率約為43%。

3.3小結

綜上所述，通過對某艦載渦軸發動機熱沖洗進行分析評估及試驗驗證，可以看出該型發動機清洗系統結構基本滿足熱清洗的硬件要求，通過整機試驗拓寬了熱清洗吞水量的允許范圍，但合適的清洗液流量參數確定還需繼續開展大量迭代驗證。通過清洗效果驗證試驗可以看出，采用水進行熱清洗，可以達到除鹽效果，但不同的污染狀況對熱清洗效率影響較大。

4 結論與展望

本文從艦載渦軸發動機使用環境特點、維護保障特點以及熱清洗發展現狀等方面，對艦載渦軸發動機熱清洗現狀進行了研究分析，并以某艦載渦軸發動機為例從熱清洗對發動機短時間工作穩定性影響以及清洗效果等方面進行了初步評估驗證，積累了經驗，后續可以以本文的研究結果為基礎，繼續開展熱清洗對零組件結構強度、壽命影響等方面的研究工作。

參考文獻

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