某型燃?xì)廨啓C(jī)離線水洗后性能恢復(fù)試驗(yàn)研究

方一格,征建生,張?jiān)俜?/p>

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所無(wú)錫分部，江蘇 無(wú)錫 214000)

某型燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期在海洋環(huán)境下運(yùn)行，機(jī)組面臨進(jìn)口空氣高含鹽量的影響[1]。燃?xì)廨啓C(jī)葉片等部件在高速、高壓、濕度大和高含鹽量空氣的沖刷下會(huì)發(fā)生磨損腐蝕，葉片表面粗糙度增大，改變了葉片表面流場(chǎng)分布，葉片表面附面層增大。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣流量、壓氣機(jī)壓比、效率等性能也隨之改變[2]。

目前國(guó)內(nèi)外大部分研究均針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片表面積垢的影響。Borell等發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)葉片積垢主要集中在葉片前緣、壓力面50%葉高處及吸力面50%葉高以下部位[3]。Diakunchak通過(guò)某型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)積垢會(huì)使得壓氣機(jī)進(jìn)氣流量降低5%，壓氣機(jī)效率降低1.8%，造成燃?xì)廨啓C(jī)功率下降約7%，熱耗率提升2.5%[4]。Syverud等人通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)靜葉積垢后粗糙度增大程度是動(dòng)葉的兩倍[5-6]。葉片表面粗糙度的變化引起流動(dòng)分離與堵塞，從而使得壓氣機(jī)性能下降[7-8]。壓氣機(jī)葉片葉尖間隙的變化也是導(dǎo)致壓氣機(jī)性能衰退的原因之一[9-10]。

為了使燃?xì)廨啓C(jī)性能恢復(fù)就須要定期進(jìn)行檢修，目前主要要有清洗、維修、替換等檢修手段。但由于經(jīng)濟(jì)成本，維修和替換只有在燃?xì)廨啓C(jī)到達(dá)修理壽命以及出現(xiàn)必須檢修的情況時(shí)采用，水洗成為燃?xì)廨啓C(jī)日常維護(hù)的重要手段。目前針對(duì)水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能恢復(fù)程度的研究較少，李東等針對(duì)壓氣機(jī)性能衰退和清洗恢復(fù)情況進(jìn)行了仿真研究[11]。

本文基于鹽霧環(huán)境下燃?xì)廨啓C(jī)加速腐蝕整機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行周期性水洗，對(duì)比燃?xì)廨啓C(jī)清洗效果，探索離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能恢復(fù)的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)

某型三軸燃?xì)廨啓C(jī)主要由低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪及動(dòng)力渦輪等六個(gè)部分組成。低壓壓氣機(jī)與高壓壓氣機(jī)主要從進(jìn)氣室引進(jìn)空氣，壓縮后提供給燃燒室。燃燒室將燃料與高壓空氣混合后燃燒，高溫燃?xì)庠诟邏簻u輪和低壓渦輪處膨脹做功，并帶動(dòng)高壓壓氣機(jī)與低壓壓氣機(jī)。動(dòng)力渦輪受高溫燃?xì)庾饔?，將燃?xì)獾膬?nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

燃?xì)廨啓C(jī)陸基試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要包含進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、燃油增壓系統(tǒng)、鹽霧發(fā)生裝置、離線水洗裝置等。鹽溶液由鹽霧發(fā)生裝置液化后經(jīng)進(jìn)氣管送到燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口處，與進(jìn)口空氣混合，一同進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)。水力測(cè)功器用于測(cè)量并吸收燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的軸功。離線水洗裝置在低壓壓氣機(jī)入口與高壓壓氣機(jī)入口分別設(shè)置有進(jìn)口，用于噴灑清洗液與清水。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)陸基試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)示意圖

本次采用的鹽溶液成分如表1所示，一個(gè)運(yùn)行周期在進(jìn)口空氣中共計(jì)加入12.5 L鹽溶液，含鹽量1 030 g。

表1 加速腐蝕試驗(yàn)鹽溶液成分(每1 000 mL)

1.2 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量的燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)包括：大氣壓力、進(jìn)口空氣總壓、進(jìn)口空氣溫度、高壓后空氣總壓、高壓后空氣溫度、燃?xì)廨啓C(jī)功率、燃油流量、高低壓轉(zhuǎn)速等。

圖2為試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)氣道附近設(shè)置測(cè)量裝置用于測(cè)量大氣壓和大氣溫度，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口截面設(shè)置總壓測(cè)量探針測(cè)量進(jìn)口空氣總壓，進(jìn)氣管道壁面處設(shè)置靜壓測(cè)量孔測(cè)量靜壓。燃?xì)廨啓C(jī)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速，安裝總壓測(cè)量探針測(cè)量高壓壓氣機(jī)后空氣總壓和溫度測(cè)量探針。陸基試驗(yàn)臺(tái)采用水力測(cè)功器測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率。在燃油供給系統(tǒng)布置有體積流量計(jì)，測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)燃油流量。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

燃?xì)廨啓C(jī)按照?qǐng)D譜進(jìn)行各工況運(yùn)行，運(yùn)行期間根據(jù)工況調(diào)整在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣中加入不同的鹽霧量，實(shí)時(shí)模擬海洋環(huán)境條件下進(jìn)氣。一個(gè)運(yùn)行周期由n個(gè)圖譜構(gòu)成，一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行性能測(cè)量,隨后進(jìn)行離線水洗，離線水洗后對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)再次進(jìn)行性能測(cè)量。這樣就可以得到一個(gè)運(yùn)行周期后燃?xì)廨啓C(jī)水洗前和水洗后的性能。水洗后的性能測(cè)量結(jié)束后，燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始圖譜運(yùn)行，再次轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行周期。

將機(jī)組運(yùn)行參數(shù)折合至標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下(大氣壓101 325 Pa、溫度27 ℃)，計(jì)算分析水洗前后燃?xì)廨啓C(jī)各項(xiàng)性能變化。旋轉(zhuǎn)部件性能衰退是造成燃?xì)廨啓C(jī)性能下降的主要原因，其中壓氣機(jī)相比較渦輪的影響更大。因此本文主要分析離線水洗對(duì)壓氣機(jī)性能和燃?xì)廨啓C(jī)整體性能的影響。

以下各圖橫坐標(biāo)為燃油當(dāng)量，是每個(gè)工況下燃油流量與額定工況燃油流量的比值，縱坐標(biāo)為水洗后性能參數(shù)與水洗前同一參數(shù)的相對(duì)變化率。

2.1 壓氣機(jī)性能分析

2.1.1 進(jìn)口空氣流量

圖3為燃?xì)廨啓C(jī)三次離線水洗對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量的影響。離線水洗燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣流量均得到提升，且隨著燃?xì)廨啓C(jī)工況升高，進(jìn)口空氣流量相對(duì)變化率也逐漸擴(kuò)大。三次水洗結(jié)果相對(duì)比較來(lái)看，第一次水洗后進(jìn)口空氣流量可以得到較大的提高，最大提高2.09%。隨后兩次的水洗則分別最大提高1.55%和1.31%，相比較第一次離線水洗，后兩次進(jìn)氣流量相對(duì)變化率有一定的跌落，低燃油流量時(shí)，離線水洗效果接近，高燃油流量時(shí)，水洗效果產(chǎn)生的差距逐漸加大。后兩次水洗相對(duì)變化率較為接近。

圖3 離線水洗對(duì)進(jìn)氣流量的影響

2.1.2 壓氣機(jī)增壓比

圖4為燃?xì)廨啓C(jī)三次離線水洗對(duì)壓氣機(jī)增壓比的影響。離線水洗可以去除壓氣機(jī)表面形成的鹽漬，降低了葉片表面粗糙度，壓氣機(jī)增壓比均得到一定的增大。燃?xì)廨啓C(jī)全工況比較，隨著工況的升高，增壓比相對(duì)變化率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，燃油當(dāng)量大于0.9后，增壓比相對(duì)變化率呈下降趨勢(shì)。額定工況下，三次水洗增壓比分別提高1.46%、1.43%和1.24%。相對(duì)比較來(lái)看，三次離線水洗對(duì)壓氣機(jī)增壓比提高的作用逐漸減弱。

圖4 離線水洗對(duì)壓氣機(jī)增壓比的影響

2.1.3 壓氣機(jī)效率

圖5為燃?xì)廨啓C(jī)三次離線水洗對(duì)壓氣機(jī)效率的影響。離線水洗后壓氣機(jī)效率均得到有效提升，且水洗對(duì)壓氣機(jī)效率提升的作用愈加明顯。隨著燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，壓氣機(jī)葉片積垢逐漸增加，雖然水洗清除部分葉片表面附著鹽，但葉片表面仍會(huì)有部分殘留，水洗前壓氣機(jī)效率衰減較多，水洗后恢復(fù)的程度也相應(yīng)擴(kuò)大。燃油當(dāng)量小于0.4以及大于0.6時(shí)，壓氣機(jī)效率相對(duì)變化率較高；燃油當(dāng)量0.5左右時(shí)，壓氣機(jī)效率提升較低。燃油當(dāng)量0.9左右時(shí)，三次水洗壓氣機(jī)效率相對(duì)變化率達(dá)到峰值，依次為2.68%、2.99%和3.19%。額定工況下，三次離線水洗壓氣機(jī)效率分別提高2.28%、2.52%和2.64%。

圖5 離線水洗對(duì)壓氣機(jī)效率的影響

2.2 燃?xì)廨啓C(jī)性能分析

2.2.1 燃?xì)廨啓C(jī)功率

圖6為燃?xì)廨啓C(jī)三次離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)功率的影響。離線水洗后燃?xì)廨啓C(jī)功率提高0.5%～1.5%，并且在低燃油當(dāng)量及高燃油當(dāng)量時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)功率變化幅度較大。燃?xì)廨啓C(jī)燃油當(dāng)量小于0.4時(shí)，三次離線水洗作用接近。燃油當(dāng)量大于0.5后，第一次離線水洗對(duì)功率提升幅度較為明顯，且后兩次離線水洗在高工況時(shí)作用相似。額定工況下，三次離線水洗燃?xì)廨啓C(jī)功率分別提高1.61%、1.12%和1.00%。

圖6 離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)功率的影響

2.2.2 燃?xì)廨啓C(jī)效率

圖7為燃?xì)廨啓C(jī)三次離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響。離線水洗后燃?xì)廨啓C(jī)效率提高0.2%～1.8%，并且在低工況及高工況時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率變化幅度較大。同時(shí)比較三次離線水洗可以發(fā)現(xiàn)，離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率的提升程度逐漸降低，且第二次和第三次離線水洗后燃?xì)廨啓C(jī)效率變化程度接近。額定工況下，三次離線水洗壓氣機(jī)效率分別提高1.41%、0.72%和0.68%。

圖7 離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響

3 結(jié)論

對(duì)鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)后的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行離線水洗，測(cè)量并計(jì)算離線水洗前后性能，分析比較三次離線水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)各性能參數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

1)離線水洗后，壓氣機(jī)進(jìn)氣流量、壓氣機(jī)增壓比、壓氣機(jī)效率、燃?xì)廨啓C(jī)功率和燃?xì)廨啓C(jī)效率均得到有效提升。三次離線水洗對(duì)壓氣機(jī)效率提升的程度逐漸增強(qiáng)，對(duì)進(jìn)氣流量、壓氣機(jī)增壓比、燃?xì)廨啓C(jī)功率和燃?xì)廨啓C(jī)效率影響則逐漸減弱。

2)燃?xì)廨啓C(jī)全工況范圍比較單次離線水洗作用，壓氣機(jī)效率、燃?xì)廨啓C(jī)功率和燃?xì)廨啓C(jī)效率在燃油當(dāng)量0.5左右提升程度最低，而進(jìn)氣流量及壓氣機(jī)壓比則隨著工況的升高，提升程度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。額定工況下三次離線水洗壓氣機(jī)效率平均提升2.48%，燃?xì)廨啓C(jī)效率平均提升0.94%。

3)比較三次離校水洗對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)各性能的影響，第二次和第三次離線水洗提升程度較為接近。