渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗技術(shù)淺析

黃軻

（中國(guó)民航飛行學(xué)院新津分院，成都 611430）

1 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)概述

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（圖1）是航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)稱，屬于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)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(dòng)渦輪使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及通過(guò)傳動(dòng)部分帶動(dòng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(zhǎng)期處于污塵過(guò)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(zhǎng)期覆蓋附著物，葉片攻角會(huì)發(fā)生變化，從而使葉片形狀發(fā)生改變，葉片開(kāi)始變得粗糙，阻礙發(fā)動(dòng)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(dòng)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(huì)逐漸下降，其性能會(huì)隨著發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的總體性能衰減，主要來(lái)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(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片斷裂實(shí)例。

圖2 某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片斷裂情況

圖3 某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子葉片受損情況

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(dòng)機(jī)實(shí)際引入的干空氣量減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的軸功率減小，潮濕的環(huán)境還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)葉片上的沉積物還會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)件的平衡系統(tǒng)，引起惡劣的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

因此，在直升機(jī)的使用維護(hù)過(guò)程中定期或視情地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的維護(hù)舉措，對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的使用效率，降低部件的腐蝕程度，保證了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠性。

圖4 某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)

3 清洗的方式和要求

選擇哪種清洗劑是進(jìn)行發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流通道所用的材料類型等來(lái)進(jìn)行綜合考慮。在清洗過(guò)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(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的清洗防護(hù)，通常是在發(fā)動(dòng)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(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗要求如下：

①有效性。不論是發(fā)動(dòng)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(duì)渦軸發(fā)動(dòng)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(guò)大，操作簡(jiǎn)單。④規(guī)范性。必須有一套關(guān)于清洗過(guò)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(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗是消除發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部沉積物的有效措施，無(wú)論是對(duì)于恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，還是發(fā)現(xiàn)和預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)故障都能起到?jīng)Q定性的作用。發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)處于冷轉(zhuǎn)時(shí)，向發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)冷轉(zhuǎn)狀態(tài)期間的，故不會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)的熱腐蝕。

熱清洗是在發(fā)動(dòng)機(jī)處于慢車狀態(tài)時(shí)向發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)性能的作用。熱清洗相比冷清洗優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燒壞[1]。

以某型采用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，該型發(fā)動(dòng)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(guò)程：將放氣活門置于關(guān)閉位，斷開(kāi)相關(guān)的管路，并將斷開(kāi)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(dòng)電門來(lái)帶動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)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(dòng)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(guò)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(kāi)位。在慢車轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)5min來(lái)盡可能除掉殘余的水分。

對(duì)該型發(fā)動(dòng)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(jí)性能模型方程中進(jìn)行計(jì)算，得出發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的性能比對(duì)。

參數(shù)變化情況體現(xiàn)該渦軸發(fā)動(dòng)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(yǔ)

根據(jù)分析得出對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗后，其總體性能得到提高。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)清洗技術(shù)的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)可從飛行器上拆下直接進(jìn)行簡(jiǎn)單、便捷的清洗維護(hù)工作。當(dāng)前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)之初，就已將發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗維護(hù)。不論是發(fā)動(dòng)機(jī)的除鹽清洗，還是性能清洗，都在發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)清洗技術(shù)已經(jīng)成為外場(chǎng)直升機(jī)維護(hù)最為重要的有效措施之一。