某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片干冰清洗試驗(yàn)研究

敖良忠，易相兵，姜 祺

(1.中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 引言

近年來，我國航空事業(yè)迅速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的重要部件，在地面和空中長期工作過程中，會(huì)吸入大量污染物，這些污染物會(huì)積累在壓氣機(jī)的葉片表面尤其是葉根輪轂壁面和葉頂機(jī)匣壁面區(qū)域，使發(fā)動(dòng)機(jī)氣流場壁面厚度和粗糙度增加，導(dǎo)致進(jìn)氣量減少、氣動(dòng)流動(dòng)損失變大和氣流分離等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生超溫和喘振故障，危及飛行安全。如果清洗不及時(shí)，會(huì)造成壓氣機(jī)效率降低、喘振裕度下降、EGT裕度下降、發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化和燃油消耗率升高等問題。發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性[1-5]。因此，為了延長發(fā)動(dòng)機(jī)在翼使用時(shí)間，必須進(jìn)行在翼清洗。

目前，主要的清洗方法是針對在翼的航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行水洗。即在發(fā)動(dòng)機(jī)干冷轉(zhuǎn)(僅由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，不供油，不點(diǎn)火)時(shí)，用一種發(fā)動(dòng)機(jī)清潔劑溶液清潔葉片上的積垢[6]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)干冷轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間較短，一般為幾十秒，所以對清潔劑的要求較高。這種清洗方法效果差，效率低，而且清洗劑溶液對環(huán)境以及發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)污染大，溫度低的情況下不能進(jìn)行清洗，準(zhǔn)備時(shí)間和清洗時(shí)間較長，清洗過后發(fā)動(dòng)機(jī)中還有殘留物，需要增加后期的維護(hù)工作[7]。

干冰清潔是通過壓縮空氣將干冰顆粒加速到非常高的速度，并將其噴到待清潔物體的表面，去除污垢[8]。干冰清洗屬于干式清洗，沒有二次污染物，對環(huán)境無污染，對清洗對象無損傷，已廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)、電子行業(yè)和汽車行業(yè)等。干冰清洗最先由美國海軍應(yīng)用于清洗油脂，清洗效果良好。Krieg[9]詳細(xì)研究了干冰與固體表面接觸的力學(xué)、熱和相變效應(yīng)，考慮傳統(tǒng)的干冰清洗系統(tǒng)，主要目標(biāo)是對除垢的評估；Liu等[10]利用激光多普勒測量(LDM)來確定所有研究噴嘴的粒徑,發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸隨著射流速度的增加而減??；Redeker[11]研究了干冰與各種瀝青的相互作用，并將部分工作集中在基材和涂層的侵蝕上；Stratford[12]綜述了常規(guī)干冰爆破，強(qiáng)調(diào)了干冰噴射實(shí)驗(yàn)研究中最重要的挑戰(zhàn)是變化的顆粒特征。國內(nèi)學(xué)者也相繼開展干冰清洗的相關(guān)研究，段學(xué)明等[13]對干冰制備機(jī)以及干冰清洗設(shè)備進(jìn)行研究。但是目前尚未見干冰清洗技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域上的報(bào)道。本文通過對人工涂污葉片的干冰清洗，得到了最佳的干冰清洗工藝。研究結(jié)果可為干冰清洗技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)清洗中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 清洗原理

干冰清洗時(shí)利用干冰清洗機(jī)噴出的干冰顆粒清除污垢，干冰除污的原理包括低溫剝落作用、撞擊作用和“微爆炸”作用[14-15]。-78.6 ℃的干冰在碰撞后與污垢迅速發(fā)生能量交換，使污垢層的溫度下降，污垢因與被清洗表面在低溫下的膨脹系數(shù)不一樣會(huì)產(chǎn)生收縮和開裂，使污垢從清潔過的表面剝落[16]。壓縮空氣加速后，噴出的干冰顆粒具有較大的動(dòng)能，干冰顆粒撞擊污垢后動(dòng)能減小，損失的動(dòng)能將對污垢產(chǎn)生沖擊作用，干冰清洗時(shí)損失的動(dòng)能ΔE為

(1)

m為單位干冰顆粒的質(zhì)量；v1為干冰顆粒沖擊污垢前的速度；v2為干冰顆粒沖擊污垢后的速度。

干冰顆粒與污垢撞擊后會(huì)馬上升華為氣體，體積急劇膨脹產(chǎn)生“微爆炸”將污垢清除[17-19]。干冰升華后體積膨脹系數(shù)C為

(2)

ρ1為干冰密度，ρ1=1 572 kg/m3；ρ2為二氧化碳?xì)怏w的密度，ρ2=1.749 kg/m3?？捎?jì)算出C=899，干冰升華后體積膨脹899倍。

2 干冰清洗測試

搭建某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第三級葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)模塊采用以數(shù)字信號處理器(DSP)為控制核心的伺服驅(qū)動(dòng)器來控制。如圖1所示，干冰清洗系統(tǒng)由干冰清洗機(jī)、空氣壓縮機(jī)、干冰儲(chǔ)存箱、發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)第三級葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、伺服驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)控制器組成。

圖1 干冰清洗結(jié)構(gòu)原理

為了模擬具有較低附著力類型的污染，使用聚四氟乙烯噴霧劑(PTFE)，這種噴劑很容易使用，涂層幾乎均勻。當(dāng)壓氣機(jī)中一定數(shù)量的葉片被污染時(shí)，對每個(gè)被污染的葉片進(jìn)行拍照，以記錄污染狀態(tài)，干冰清洗后再對葉片進(jìn)行拍照記錄，以便于查看干冰清洗后的效果。

試驗(yàn)設(shè)置干冰清洗的距離為150 mm，清洗時(shí)間為30 s，使用干冰顆粒直徑為3 mm，干冰顆粒的高度范圍為3～8 mm。給出了一組在干冰清洗過程前后使用聚四氟乙烯噴霧的人為污染葉片和清洗后葉片的典型照片，結(jié)果如圖2所示。葉片葉盆部分有明顯PTFE脫落的現(xiàn)象，干冰對葉片壓力側(cè)有較強(qiáng)的清洗作用，表明該干冰清洗系統(tǒng)能夠去除壓氣機(jī)葉片上附著的污染物，效果明顯，可用于后續(xù)干冰清洗參數(shù)研究。

圖2 噴涂PTFE葉片清洗效果對比

3 干冰清洗試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

由于干冰清洗影響因素眾多，只改變試驗(yàn)考察參數(shù)，其他不變[20]。采用人工涂污方法模擬不同積垢的壓氣機(jī)葉片，如圖3在不同參數(shù)下進(jìn)行干冰清洗積垢試驗(yàn)，研究干冰質(zhì)量流量、噴射角度和葉片轉(zhuǎn)速對干冰清洗效果的影響，具體步驟如下：

圖3 干冰清洗試驗(yàn)

a.對未涂污的葉片進(jìn)行拍照，以備對比使用。

b.按照表1所列的成分和配重分別配置I型和II型人造油污，攪拌15 min，將各組分混勻。

表1 人造油污組成

c.用試劑級無水乙醇或丙酮清洗，熱風(fēng)吹干，冷卻至室溫，用電子天平稱量，精確至0.001 g。然后將I型和II型人工油污均勻涂于2組3片葉片上，用熱風(fēng)吹干，冷卻至室溫，準(zhǔn)確稱取0.001 g。

d.首先打開空壓機(jī)預(yù)熱，直到有穩(wěn)定的壓縮氣流，加入干冰在清洗機(jī)中。

e.將發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速分別調(diào)至需要測量的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，開啟干冰清洗機(jī)，每組試驗(yàn)3次。

f.將試驗(yàn)后的葉片從實(shí)驗(yàn)臺(tái)上取下，烘干因干冰清洗后的水分，稱重精確至0.001 g。

3.2 清洗效率

通過洗掉的油污質(zhì)量與涂上的總質(zhì)量的比值，計(jì)算清洗效率η，數(shù)值以百分?jǐn)?shù)表示，公式為

(3)

η為清洗效率，以百分?jǐn)?shù)表示；m0為帶油污的葉片清洗前的質(zhì)量；m1為帶油污的葉片清洗后的質(zhì)量；m2為未刷油污的葉片質(zhì)量，取3個(gè)試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 清洗效果

清洗過程中，干冰與污垢接觸換熱，使污垢溫度下降，變脆。污垢中油脂也會(huì)冷凝，在“微爆”和高速氣流的作用下，與污垢層一起剝落[21]。升華的干冰氣體密度比空氣大會(huì)下沉，防止污垢飛揚(yáng)。

葉片被I型和II型人造油污涂污后的狀態(tài)如圖4所示。通過對比不同狀態(tài)下的葉片的重量，從而得出干冰清洗效果最好的最佳條件。

圖4 葉片清洗效果對比

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過改變干冰的質(zhì)量流量、清洗角度和實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別對人工模擬污染的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行干冰清洗。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干冰清洗可以較明顯地清洗掉葉片表面的油污，通過電子天平秤的稱重，可以得到干冰清洗掉的油污重量。

4.1 干冰質(zhì)量流量的影響分析

干冰質(zhì)量流量直接決定了和被洗發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片表面的碰撞數(shù)量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的清洗效果。選用3.0～6.0 kg/min范圍內(nèi)的不同干冰質(zhì)量流量對發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行清洗，清洗角度為90°，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著干冰的質(zhì)量流量的增加，單位時(shí)間內(nèi)與壓氣機(jī)葉片碰撞的干冰顆粒數(shù)量也增加，從而清洗掉更多的油污，清洗效率更高，清洗效果更好。當(dāng)干冰的質(zhì)量流量達(dá)到6.0 kg/min時(shí)，清洗效率最高，所以6.0 kg/min的質(zhì)量流量是最佳的質(zhì)量參數(shù)。在實(shí)際試驗(yàn)中，因?yàn)楦杀谋砻姹容^粗糙，如果繼續(xù)增加干冰的質(zhì)量流量，會(huì)造成干冰清洗機(jī)進(jìn)料口的堵塞，無法進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 不同質(zhì)量流量的清洗效果

4.2 干冰清洗角度的影響分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片干冰清洗試驗(yàn)過程中，干冰清洗角度直接決定了干冰顆粒和污垢層碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)移，從而影響干冰的升華過程。在壓氣機(jī)中，氣流的絕對速度c與氣流的相對速度w以及葉輪的圓周速度u構(gòu)成一個(gè)封閉的速度矢量三角形，如圖6所示，3個(gè)速度向量之間的關(guān)系為

圖6 速度矢量三角形

c=w+u

(4)

不同的清洗角度使得氣流的絕對速度c方向不同，在葉輪的作用下，最終氣流的相對速度w方向也會(huì)發(fā)生改變，從而使得干冰顆粒對壓氣機(jī)葉片撞擊的分量不同，選用30°～90°內(nèi)不同的清洗角度對壓氣機(jī)葉片進(jìn)行清洗，干冰質(zhì)量流量6.0 kg/min，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，隨著干冰清洗角度從30°增大到90°，清洗效果越來越好。干冰清洗角度為90°時(shí)，清洗效率最高，清洗效果最好。干冰清洗角度小時(shí)，由速度矢量三角形得出，干冰顆粒對壓氣機(jī)的撞擊分量較小，清洗效果不理想。

圖7 不同清洗角度清洗效果

4.3 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的影響分析

干冰顆粒隨著氣流高速運(yùn)動(dòng)到旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉片表面發(fā)生撞擊，撞擊會(huì)產(chǎn)生更多的干冰小顆粒，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的大小決定了干冰破碎的程度，清洗過程中干冰升華，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能與熱能的轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)選用1 000～2 500 r/min范圍內(nèi)的壓氣機(jī)葉片轉(zhuǎn)速，質(zhì)量流量6.0 kg/min，清洗角度為90°，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的清洗效果

由圖8可知,隨著壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，清洗效率越來越高。當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000～2 500 r/min時(shí)，干冰顆粒撞擊旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉片，會(huì)產(chǎn)生更多的小的干冰顆粒，清洗效率上升的比較快，在2 500 r/min時(shí)達(dá)到最佳的轉(zhuǎn)速，清洗效果最好。

5 結(jié)束語

根據(jù)干冰清洗的原理，搭建出干冰清洗某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及干冰清洗系統(tǒng)，通過人工涂污的方式，可模擬葉片的真實(shí)污染情況。試驗(yàn)表明，該干冰清洗可以有效去除附著在葉片上的污染物，特別是葉片壓力側(cè)的污垢，壓氣機(jī)葉片進(jìn)行干冰清洗最優(yōu)的參數(shù)為干冰質(zhì)量流量6.0 kg/min，清洗角度為90°，轉(zhuǎn)速2 500 r/min。