航空發動機流道清洗關鍵技術探討

摘" 要：航空發動機一經投入使用，就不可避免地吸入空氣污染成分，并附著在流道上，沿海使用發動機還面臨鹽霧重、濕度大和酸性高等大氣環境問題。實踐證明，發動機清洗技術是壓氣機性能恢復和除鹽，提升發動機在翼時間、壽命和可靠性等最為經濟、有效的手段。該文針對清洗方式、清洗劑選擇與用量、清洗時機確定和清洗實施程序等航空發動機清洗的關鍵技術進行論述，提供國內外清洗技術發展現狀及特點，可為軍/民用航空發動機清洗實施提供參考。

關鍵詞：航空發動機；流道清洗；關鍵技術；性能恢復；清洗方式

中圖分類號：V261" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0166-04

Abstract： Once an aero-engine is delivered to airlines， it will inevitably inhale components of polluted air and attach them to the flow path. Engines used in coastal areas will also face atmospheric environments such as heavy salt fog， high humidity and acidity. Practice has proved that engine cleaning technology is the most economical and effective means to improving the wing time， life and reliability of the engine. This paper discusses the key technologies of aero-engine cleaning， such as cleaning mode， selection and dosage of cleaning agent， determination of cleaning time and cleaning implementation procedure， and provides the development status and characteristics of cleaning technology at home and abroad. it can provide reference for the implementation of military/civil aero-engine cleaning.

Keywords： aero-engine; flow path cleaning; key technology; performance recovery; cleaning method

航空發動機在運營過程中，不可避免地會吸入沙塵、工業粉塵、昆蟲及泄漏的滑油等，它們會相互作用并附著在進氣道、壓氣機葉片等流道件上，隨著發動機運行時間累積，污垢沉積物逐漸增加。這會使進氣道和葉片表面變得粗糙、葉型發生改變、流量減少、誘發氣體分離，從而導致壓氣機效率下降、排氣溫度（EGT，Exhaust Gas Temperature）裕度減小、喘振裕度不足，從而使發動機推力或功率下降，嚴重時將誘發發動機喘振和超溫等問題。如發動機在沿海區域運營時，沿海區域大氣還具有鹽霧重、濕度大等特點，鹽份很容易黏附在進氣道和壓氣機葉片等流道件上沉積成鹽漬。附著的鹽份在高溫、高濕條件下，經過一段時間很容易使壓氣機工作葉片和導向器葉片發生腐蝕。鹽份的存在又是渦輪葉片產生熱腐蝕的關鍵因素，腐蝕會導致葉片強度降低，嚴重時會形成疲勞源，從而產生裂紋，降低發動機的使用壽命。清除發動機流道零件上的污垢和鹽漬最為有效的手段就是進行發動機清洗[1]。

航空發動機在翼清洗通常是指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壓氣機葉片、渦輪葉片等表面上的沉積物，保持流道葉片氣動葉型，防護葉片免受腐蝕，從而降低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，保持發動機的工作壽命，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。

實踐表明，航空發動機流道零部件積垢會帶來嚴重后果，主要包括：積垢會改變壓氣機工作特性，引起航空發動機喘振，嚴重時會導致發動機空中停車，危及飛行安全；積垢會引起發動機燃油消耗率上升，縮短維修間隔期，增加運營成本；積垢還會增加碳和氮氧化物排放，嚴重威脅大氣環境安全。針對航空發動機的清洗防護，主要要求為[2]：

1）清洗的有效性。無論是壓氣機恢復性能，還是除鹽和防腐，一定要顯著的清洗效果。

2）清洗的安全性。航空發動機在翼清洗時處于冷運轉狀態（冷清洗）或地面慢車狀態（熱清洗），執行清洗工作時必須安全可靠，不可因清洗而引起發動機損壞、腐蝕或產生維修故障。

3）清洗的經濟性。清洗工作涉及費用應低，操作簡單可行、工作量少。

4）清洗的規范化。根據發動機的類型，必須針對清洗過程制定嚴格的清洗技術規范。

1" 清洗方式

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和由砂塵、粉塵、昆蟲、油液等組成的油泥污垢兩類。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性能和熱效率下降[1]。葉片堆積鹽類如圖1所示。

根據航空發動機的使用環境和運行特點不同，及實施發動機清洗的目的和作用劃分，清洗類型大體可分為如下情況[3]。

1）恢復性能清洗：主要是清除流道零部件上的各種污垢，恢復發動機性能。發動機長時間運行，流道零部件表面不可避免附著污垢，并逐漸累積，如不及時進行清洗，將會嚴重影響壓氣機等部件的氣動性能，進而引起發動機的性能下降。

2）除鹽漬清洗：主要是清除發動機流道件上的鹽漬，以防止零件腐蝕。當發動機處于濕熱、煙霧的惡劣環境，在發動機流道件上會附著一層鹽漬沉積，隨運行時間增加，鹽漬層逐漸增厚，如不及時進行除鹽清洗，將誘發零件腐蝕，降低發動機零件使用壽命。

3）其他清洗：主要是通過清洗技術消除發動機性能故障（如，喘振、EGT高等）或預防性的健康維護清洗等。

為了清除航空發動機流道件的污垢和鹽漬等堆積物，主要采用“冷運轉清洗”和“熱清洗”方式實施。冷運轉清洗，一般是指發動機在起發系統驅動的冷運轉狀態下，向發動機流道噴入清洗劑對發動機的清洗，主要包括了冷運轉下的洗滌與沖洗階段和地面慢車的吹干階段；熱清洗，一般是指發動機在慢車狀態運行時，向發動機流道噴入蒸餾水或特定清洗劑的清洗，相比于冷運轉清洗，熱清洗可以極大地減少清洗時間，清洗效果顯著，提高清洗效率。熱清洗的弊端是，清洗劑通常由易燃有機化合物組成，當噴入的清洗劑過多或種類選擇不當時，極易引起超溫，導致發動機熱端件氧化燒蝕。

隨著航空技術持續發展，新型高效防護型清洗劑不斷涌現，使得除鹽清洗和性能恢復清洗完全可以在發動機冷運轉狀態下實施。從20世紀80年代開始研制并投入使用的發動機，均可在冷運轉狀態下進行清洗，進一步提升了清洗維護的安全性。但海洋環境下的發動機基本在每日完成飛行任務后都要進行清洗除鹽，如果采用運轉清洗方式，需待渦輪溫度下降到一定值后才能開展，通常約等待1～2 h，給維護帶來了極大的不便。因此，海洋環境使用的發動機應具備熱清洗能力，目前，國外TV3-117、MAKILA 2A等采用了熱態清洗方式，見表1[4]。

2" 清洗劑與用量

清洗劑是航空發動機清洗技術的關鍵環節，通常采用軟化水、水基清洗劑和溶劑清洗劑。清洗劑通常為有機化合物，主要由有機溶劑、表面活性劑、增白劑和研磨劑等成分組成。清洗劑選擇的好壞直接決定著清洗效果的優劣。發動機流道件除污清洗主要是通過機械作用去除污垢，而非化學反應過程除污。部分發動機制造商為提高清洗效率，開始采用熱水清洗，以軟化沉積物、增加溶解度。選擇清洗劑時，應根據清洗的對象和目的（除鹽或性能恢復）、環境溫度高低、流道件選材，以及清洗類型作綜合考慮[1]。

1）合理選擇清洗劑。根據清洗目的、污垢沉積物類別等的不同，需采用不同類型特點的清洗劑。當選擇清洗劑時，必須考慮環境溫度的影響，當環境溫度較低（通常指0～5℃或以下）時，常規的清洗劑極易結冰，無法實施清洗，因此在低溫環境情況下應選擇冰點較低的清洗劑。國外研制的發動機通常采取對清洗劑加防冰添加劑的方式防冰，不同的溫度范圍，防冰添加劑的配比也不同。部分發動機在低溫條件下采用防冰添加劑的同時，還采取對清洗劑進行加溫（50～70℃）防冰。

2）選擇清洗劑時首先應考慮發動機流道件的材料性能。清洗劑的選擇首先需達到清洗除污目的，其次還要求在清洗過程中不能引起發動機流道內的金屬、非金屬零件腐蝕。任何一種清洗劑都必須經過特定的驗證，對其技術要求相當苛刻，因此清洗劑應是在嚴格的技術規范要求下研制的。如，美國軍標準MIL-C-85704B《航空發動機燃氣通道清洗劑軍用規范》中，對清洗劑的質量標準有二十余項，其中腐蝕性能8項，使用性能8項，理化性能7項。

航空發動機制造商建議在清洗時用抗靜電液體清洗發動機，以避免顆粒物進一步在流道件上堆積。添加了化學清洗劑的清洗液，可能對某些金屬具有腐蝕性，需要多次沖洗才能徹底清除流道件殘留的清潔劑。國外部分發動機選用的清洗劑及清洗用途見表2[4]。

國外部分大型商用發動機清洗壓力和清洗劑流量分布如圖2所示，清洗壓力范圍為12.5～60 Psi（86.2～413.7 kPa），清洗流量范圍為18.9～60.6 L/min，其中CF37-3/8清洗壓力最低為12.5 Psi，TRENT800/900/1000發動機清洗流量最大為60.6 L/min。

3" 清洗時機

航空發動機的在翼清洗維護周期通常以飛行循環或飛行小時數進行規劃，因發動機大部分運營成本都發生在飛機的起飛、降落、爬升和下降過程中，相對于經濟性好、平穩的巡航飛行狀態，這些過程中飛機因需要足夠的推力或功率而導致燃油消耗最大[5]。

隨著發動機運行時間的增長，壓氣機性能退化必然導致流量、增壓比以及效率等降低，為維持發動機恒定范圍的推力或功率，必然采用加大供油量方法，不僅降低了發動機的經濟效益，同時還因熱端部件溫度增加而衰減了其使用壽命。根據航空公司統計數據，飛機發動機清洗頻率和燃油解節油量如圖3所示[6]。由圖3可以看出，清洗間隔時間不能過低也不能過短，只有選擇合適的間隔期才能夠獲得最佳的效益，如清洗間隔500～600 h為最佳。

清洗頻率通常由航空公司根據實際情況自行決定，為實現發動機健康運行，必須科學、合理地選擇清洗頻次。如航空發動機在鹽霧環境運行，每周、甚至每天均需進行一次除鹽清洗，而性能恢復清洗通常選擇數百小時進行一次清洗，但出現性能故障時可以隨時進行清洗排查等。

發動機制造商一般會在維修手冊中給出清洗頻次的建議，如GE公司在CF6-80C2發動機的維修手冊中，推薦每500次飛行循環對發動機進行一次性能恢復清洗。從綜合經濟性角度看，每500次循環清洗一次發動機可以節省更多的運營成本，而每250次循環清洗一次發動機會因頻次過高提升了維護成本，從而降低了總利潤[6]。表3列出了某型發動機的清洗類別和周期規定[1]，其在腐蝕和含鹽大氣環境時，每日飛行后均需進行除鹽清洗。

通常，航空發動機在制定清洗維護規程時，主要需考慮的因素包括：地理位置和環境因素；航線網絡；航空燃油的短期價格波動區間；發動機的服役時間及大修周期；發動機維護效率；清洗周期與清洗成本。航空發動機流道清洗時機的選擇應按如下進行：①在因發動機流道部件過臟而使得主要性能參數衰減時，進行發動機流道的清洗，清洗頻率由發動機運營單位根據使用情況決定。②冷運轉清洗工作在發動機自然冷卻后進行，自然冷卻時間一般不少于12 h，不同發動機根據實際情況確定。③根據不同發動機具體情況對發動機成附件采取保護措施，根據發動機葉片防腐情況選擇合適的洗滌液。④長試用發動機清洗工作可在試車過程中各階段之間的停車時間或長試結束后性能錄取前后進行。

4" 清洗程序

4.1" 冷運轉清洗程序

航空發動機流道的冷運轉清洗一般包括4個過程：洗滌過程、浸泡過程、沖洗過程和干燥過程，具體流程如下[2]：①洗滌過程。選擇合適的洗滌劑（如98%蒸餾水和2%的清潔劑的混合液）和清洗設備，發動機由冷運轉系統帶轉，當燃氣渦輪或高壓轉速帶轉至一定值時，同時噴入洗滌劑，當冷運轉結束時停止噴液，此過程可重復。②浸泡過程。發動機在洗滌劑浸潤條件下浸泡約20～30 min，實際情況可以通過增加洗滌過程的次數來減少浸泡時間或代替浸泡過程。③沖洗過程。沖洗劑一般選為100%蒸餾水。發動機由冷運轉系統帶轉，當燃氣渦輪或高壓轉速帶轉至一定值時，同時噴入沖洗劑，當冷轉結束時停止噴液，此過程可重復。此后，再冷運轉發動機1～2次，排出發動機體內的主要液體。④干燥過程。恢復發動機正常安裝及連接，起動發動機至地面慢車狀態下運轉2～3 min。

每次冷運轉清洗時間及噴液時間點應結合發動機的冷運轉系統考慮，通常建議運轉時間與發動機冷運轉時間保持一致，噴液時間點應選擇在燃氣轉子或高壓轉子帶轉至約5%時；多次洗滌過程或沖洗過程之間，建議停留一定時間，避免過多液體聚集在發動機內部。

4.2" 熱清洗程序

航空發動機熱清洗一般在低運行狀態（如地面慢車）進行一次或多次的工作狀態下的清洗操作，不同發動機可根據實際情況調整清洗次數和清洗時間。熱清洗程序較冷運轉清洗相對簡單，具體流程如下：①起動發動機至地面慢車，穩定工作1～2 min，做好清洗準備。②打開清洗系統，在慢車狀態進行流道清洗，清洗過程中應監控發動機參數。清洗液體選用蒸餾水或合適的清洗劑，清洗時間建議不超過10 min，具體根據不同發動機慢車狀態允許工作時間限制確定熱清洗時間。③清洗結束后，斷開清洗系統，適當提高發動機運行狀態（如空慢），在此狀態下5～10 min，吹干發動機。④下拉發動機至地面慢車工作1～2 min后停車。

5" 結論

實踐證明，發動機清洗技術是性能恢復和除鹽，以提升發動機在翼時間、壽命和可靠性等最為經濟、有效的手段。本文針對清洗方式、清洗劑選擇與用量、清洗時機確定和清洗實施程序等航空發動機清洗的關鍵技術進行了論述，提供了國內外清洗技術發展現狀及特點，可為軍/民用航空發動機清洗實施提供參考。

參考文獻：

[1] 于海濱，賈明明.航空發動機清洗技術研究[J].設備管理與維修，2016（11）：106-107.

[2] 袁長波，苗禾狀，黃興.軍用直升機渦軸發動機清洗技術[J].2010（5）：36-38.

[3] 郭允良.燃氣渦輪發動機的重要維修手段——“燃氣渦輪發動機在線清洗技術”[C]//全國航空維修技術學術研討會論文集.上海：中國航空學會，2003：183-189.

[4] 鄢駿，段輝，鄭益民.艦載渦軸發動機熱清洗初步研究及驗證[J].中國科技縱橫，2020（10）：132-134.

[5] 石碩.民用航空發動機性能維持清洗方法研究[J].科技信息，2013（15）：84-85.

[6] 唐杰.航空發動機在翼清洗機理及流場特性研究[D].秦皇島：燕山大學，2021.