航空發動機流道清洗技術應用研究

摘" 要：航空發動機清洗技術已成為一種恢復整機性能衰減、增加在翼時間和提升壽命等最為經濟、有效的方法。該文從航空發動機清洗需求、清洗對發動機性能影響等論述污垢附著對壓氣機及整機性能、熱效率的影響關系，以及分析按期清洗對發動機性能和效率的改善結果，證明航空發動機清洗的必要性，表明流道清洗技術應用為航空發動機使用維護中不可或缺的程序。

關鍵詞：航空發動機；流道清洗；性能恢復；清洗技術；應用

中圖分類號：V263.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0109-04

Abstract： Aero-engine washing technology has become the most economical and effective method to recover the performance degradation of the whole machine， increase the time on the wing and improve the service life. This paper discusses the influence of fouling adhesion on the performance and thermal efficiency of the compressor and the whole machine from the aspects of the cleaning requirements of the aero-engine and the impact of washing on the engine performance， and analyzes the improvement results of the engine performance and efficiency by the scheduled washing， which proves the necessity of the aero-engine cleaning. Finally， the significant benefits brought by the application of aero-engine cleaning technology are discussed， which shows that the application of washing technology is an indispensable schedule in the maintenance of aero-engines.

Keywords： aero-engine; washing; performance recovery; cleaning technique; application

航空發動機因運營環境差異性，其流道零部件不可避免地附著各種各樣的污垢，沉積物的附著力與污垢的成分密切相關，但大致可以分為鹽類與由砂塵、粉塵、昆蟲和油液等組成的油泥污垢2類。污垢對發動機性能和壽命影響作用形式差異較大。鹽份主要是通過發動機的冷、熱腐蝕影響發動機在翼運營時間和壽命，而油脂污垢主要因壓氣機效率衰減而引起發動機整機性能和熱效率下降。為了清除流道件這2類沉積物，通常采用冷清洗和熱清洗2種方式。無論是采用冷清洗還是熱清洗，為了達到對發動機的清洗除污效果，都是在發動機運轉過程中實施的[1]。

航空發動機在翼清洗通常是指在不從機翼上拆下發動機的情況下，定期或視情地對發動機進行清洗或防護。其目的是通過清洗方法去除附著在進氣道、壓氣機葉片和渦輪葉片等表面上的沉積物，保持流道葉片氣動葉型，保護葉片免受腐蝕，從而延緩或消除空氣中雜質對整機性能的影響，一定程度恢復壓氣機劣化了的性能，保持發動機的設計壽命，同時預防或排除發動機因流道污染導致故障的產生和惡化發展[2]。

實踐表明，航空發動機清洗技術是解決鹽類和油泥污垢2類污垢對航空發動機的燃油消耗率、在翼時間、維修間隔期和壽命等直接影響航司運營成本最為經濟和有效的手段。根據航司關于發動機運營統計數據，通過清洗，發動機EGT裕度可恢復5～15 ℃、可延長約1/3在翼時間、波音737年度節省燃油約70余t/架，表明了流道清洗技術應用為航空發動機使用維護中不可或缺的程序，具有顯著的應用意義。

1" 清洗需求

航空發動機性能隨著運營時數的累積持續表現出下降趨勢，主要包括推力/功率的下降、排氣溫度（EGT，Exhaust Gas Temperature）上升、燃油耗油率增大和零部件壽命減少等特征，對發動機的安全性、可靠性和經濟性等造成顯著的影響[3]。

引起航空發動機整機性能衰退的原因極其復雜，主要包含外物損傷撞擊、污垢堆積及同時并發的腐蝕和侵蝕等方面。外物損傷撞擊通常是指因鳥類、砂礫或冰/雹等從發動機的進氣通道進入壓氣機流道，與發動機的風扇葉片或壓氣機葉片等旋轉件高速撞擊，很可能會造成發動機流道部件的損傷或損毀，導致氣動效率下降，空氣流量增加，或是在高溫條件下外物黏熔融物黏附在熱端流道件上堵塞流道而減小，更為嚴重時將導致發動機無法正常工作或發生災難性的事故。

通常將直徑小于10 μm的顆粒，如灰塵、沙塵、有機物顆粒和油類污染物等附著并沉積在葉片和流道靜子件上的現象定義為污垢堆積。發動機污垢的堆積會影響葉型及其氣動特性，以及葉片表面的粗糙程度，從而導致葉片的喉道節流通道減小和氣動攻角的變化，最終使得發動機壓氣機的流量系數、壓縮效率和增壓比等均降低，發動機工作點向喘振裕度減小的方向移動，進而誘發壓氣機喘振，其中空氣流量系數的影響程度最為突出，隨運行轉速、大氣環境、馬赫數和飛行高度而變。

航空發動機流道件污垢的堆積同時也會誘發航空發動機的侵蝕和腐蝕。腐蝕與侵蝕的性質非常相近，但腐蝕的誘因卻與侵蝕不同，腐蝕是發動機零部件與流道空氣中污染物之間發生化學反應的后果。鹽類、硫化物和氯化物等與水分相結合，容易造成壓氣機等零部件的腐蝕，而含有鈉、釩等元素的金屬或化合物則可誘發渦輪部件的高溫腐蝕，或加速熱端部件的表面氧化發展。腐蝕將會導致壓氣機的葉片表面粗糙度增加、氣動性能下降和葉片的疲勞壽命減少等。此外，鹽霧顆粒也有可能堵塞渦輪葉片的冷卻氣膜孔，使其冷卻效果下降，引發渦輪葉片燒蝕。目前，發動機制造商廣泛采用流道件防護涂層技術和流道清洗技術以降低腐蝕帶來的風險。

航空發動機清洗技術是公認的解決航空發動機葉片積垢、提升壓氣機氣動效率的重要手段，也是飛機維修手冊（AMM）中唯一推薦的最為經濟、有效的維護方法，航空發動機清洗已被確定為發動機定期維護的一項基本程序。在翼冷運轉清洗操作時，清洗一般在發動機進氣道唇口處安裝好特定的射流清洗架，由發動機清洗車/設備通過連接管路向清洗架提供具有一定壓力的清洗液，清洗液經清洗架的噴嘴霧化后，噴向發動機流道件，此時，飛機發動機由起發系統提供冷運轉動力，使轉子件處于一定轉速的旋轉狀態，霧化后的射流液滴與發動機流道部件表面的垢質相互撞擊作用，實現航空發動機的在翼清洗，清洗后需起動發動機至較低運行狀態吹干發動內部因清洗引入的水分。在翼熱清洗則是在發動機地面慢車狀態下直接進行噴液的清洗。

航空發動機流道結垢對壓氣機效率和整機熱效率影響較大，圖1顯示了某型燃機壓氣機效率和熱效率隨時間變化關系，如果不進行清洗，隨著時間推移，性能衰減的影響越來越明顯，38 d后壓氣機效率降低約4%，耗熱率增加約7%[4]。

圖2顯示了壓氣機流道受到污垢性能變化對發動機熱力性能的影響情況，從圖中可以看出，壓氣機壓比越高對發動機總體性能影響越顯著，例如當壓氣機性能衰減7%時，壓比為15的發動機較壓比為7的發動機總熱效率衰減高20%[5]。

根據CFM56發動機清洗前數據，EGT裕度隨運行時數的變化曲線。新投入使用的發動機經過大約3 000 h的運營后，如全程未進行過流道清洗，其EGT裕度平均損失約20 ℃。

因此，為維持發動機性能和增加其經濟性，通過對發動機進行流道清洗，以顯著地恢復發動機性能變得尤為重要。

2" 清洗對性能的影響

隨著航空發動機運營時間的累積，壓氣機性能衰減主要誘發壓比、流量系數及效率等參數的逐漸衰減，必須采用增加供油量等方法來獲得需求范圍的推力或功率，不僅影響了燃油經濟性，同時還會因排氣溫度增加而較少熱端部件的耐久壽命，更為嚴重的情況，當燃氣溫度達到熱端部件的限制值時，發動機無法滿足推力或功率需求，從而減少飛機的商載能力，對航空公司運營的影響是極其致命的。

隨著發動機安全性、可靠性和維修性技術的發展和運營經驗，清洗技術已成為航空發動機一種最為重要的維護手段。航空發動機清洗通常是指不從飛機上拆下發動機，定期或視情對發動機進行流道清洗或防護，通過清除在各種運營環境下黏附壓氣機或渦輪葉片等流道件上的沉積物，從而減緩或清除空氣中污垢對發動機性能的影響，恢復壓氣機的性能，減緩零部件被腐蝕的速率，維持發動機可靠性和設計壽命，同時預防或排除發動機因結垢誘發的問題。例如，某型渦軸發動機清洗后功率提升了1.2%～2.6%，耗油率降低2%～3%[6]；此外，根據GE公司的資料，航空發動機經過一次清洗，發動機EGT裕度平均上升5～11 ℃左右，燃油消耗量下降約0.2個百分點。

通常，航空發動機壓氣機的典型特性曲線如圖3所示，在設計點運行條件下，大多級將在設計流量系數和高等熵效率下運行，當流量系數位于特性曲線右側時，該級負載較輕，最右側的點稱為節流點，特性曲線左側是發生氣動失速的區域（喘振區域）。當壓氣機結垢降低第一級壓氣機的質量流量（流量系數）時，這會影響后一級的性能，即：第一級特性上的工作點向左移動（如圖3中的A點），從而增加壓比，這導致第二級入口處的密度更高，因此，第二級流量系數將進一步降低。這一效應通過各級發展，直到最后出現空氣動力學失速并觸發喘振[5]。

圖4顯示了某型燃機功率輸出隨時間變化關系曲線，當不進行清洗，發動機的性能將按最下方的曲線逐步衰減，4 000 h功率下降水平約為10%。通過清洗技術能夠一定程度地恢復發動機的性能，圖中曲線包圍的陰影區域為清洗獲得的功率收益。

航空發動機在翼清洗是一項非常重要的操作要求，但在翼清洗并不是解決所有壓氣機結垢問題的性能恢復方法，因為每次清洗后都無法恢復全部功率，因此需要定期對發動機進行返廠清洗（或離線清洗），以恢復到設計要求的功率級或推力。

3" 清洗技術應用

據統計，航油成本平均占到航空公司主營業務成本的41.8%，如空客的A380飛機百公里的油耗約1 500 L，耗油量非常巨大，航空發動機尾氣排放主要包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOX）、碳氫化合物（HC）和硫化物（SOX）等成分，其對大氣環境污染的影響作用不容小覷。當發動機流道零部件積垢后，發動機耗油量會顯著上升，平均每多消耗1 kg航空燃油將增加3.1 kg二氧化碳氣體的排放，嚴重威脅地球的生態環境。根據國航CFM56發動機清洗前后總耗油量的對比數據，民用渦扇發動機通過在翼清洗能夠降低燃油消耗率約0.5%，200臺發動機平均每年執行1 500架次飛行，按清洗3次/a計，則整個機隊平均節約航空燃油約5 470 t/a、二氧化碳減排約17 250 t/a，通過清洗獲益約2 000萬/a，清洗技術應用的意義非常突出。

航空發動機性能惡化后，在一個運行階段（如每300 h）可能導致發動機的推力或功率輸出衰減約5%～10%。國際燃氣輪機界的運營經驗表明，對不同運營環境的發動機實施定期或視情的清洗，以將發動機的性能衰減得以補償或延緩。規范地按程序進行發動機清洗的應用意義如下[7]。

1）降低使用維護費用：值得關注的是，規范性地進行發動機清洗，從總體上說將能有效降低結垢帶來的維修費用的相對增加；且在使用經濟性方面帶來一定程度的補償。如不進行發動機清洗可能帶來零件腐蝕、性能衰減和壽命減少等現象，即增加了維修所需的人力和資源消耗費用等。

2）減少燃油消耗量：通過按期的發動機清洗，能夠恢復壓氣機等結垢零件的設計氣動性能，從而減少了燃油消耗量，降低燃料消耗帶來的額外費用成本。

3）整機性能保持：定期清洗可使發動機劣化了的性能得以恢復或減緩衰減，增加運行時間，同時補償了因零部件氣動性能惡化而損失性能，以及由次帶來的功率輸出降低反映的經濟效益問題。

4）增加在翼時間：據統計報道，適當的清洗程序，可延長航空發動機約1/3的在翼時間，以及大幅節省燃油消耗量。

如某型渦槳發動機進行清洗試驗的前后分別錄取了發動機在0.4額定、0.6額定、0.7額定、0.85額定、額定和起飛6個工作狀態下的性能參數，并將數據換算成海平面、標準大氣條件下的軸功率和燃油消耗量，見表1[8]。數據表明，發動機在起飛狀態，通過清洗，軸功率提升了3.3%、EGT降低了18 ℃。

航空發動機清洗收益與不同污染程度、清洗頻次、維護效率之間的關系[3]，污染程度越嚴重，清洗獲得的收益增幅越大。針對輕微污染發動機，如果過多頻次的清洗將會因清洗過程成本導致綜合負收益。

據普惠（Pratt amp; Whitney）公司聲稱，西部航空公司（West Jet airlines）運營的波音737飛機的發動機通過清洗能夠使EGT裕度增加10 ℃、每次飛行降低1.5%的燃油消耗量。按飛機每天飛行8 h、一個月飛行30 d、一年飛行10個月，每次飛行燃油消耗量按2 000 kg/h計，可評估出每架737飛機年度節省燃油為8×30×10×2 000×1.5% kg=72 000 kg，燃油價格按8 000元/t算（具體按不同地區價格為準），一架波音737飛機可節燃油成本約58萬元/a。

4" 結論

通過對航空發動機流道零部件的清洗實施，一般情況下，EGT裕度可恢復5～15 ℃，個別可到達15 ℃以上，減少約1.5%的燃油消耗，能夠保持發動機的壽命，延長約1/3的發動機在翼時間，節省燃油消耗量。通過清洗技術還能有效降低碳氧化物和氮氧化物等排放量，可取得顯著的積極應用效果。本文研究表明流道清洗技術應用為航空發動機使用維護中不可或缺的程序，具有顯著的應用意義。

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