干冰射流技術(shù)清洗航空發(fā)動機(jī)積炭

■ 鄭建林 王友濤 栗娜娜 汪祥 宋金龍/ 中國航發(fā)黎陽

航空發(fā)動機(jī)在使用過程中時常會出現(xiàn)積炭現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒不充分，同時也會改變進(jìn)排氣流通面積，影響發(fā)動機(jī)性能。現(xiàn)行積炭清洗工藝存在通用性差、經(jīng)濟(jì)性低及損傷零件等缺點，嚴(yán)重影響了航空發(fā)動機(jī)修理和試驗的質(zhì)量。

航空發(fā)動機(jī)積炭清洗大多以清洗劑泡洗、高溫?zé)Y(jié)、超聲波清洗和手工打磨技術(shù)為主。清洗劑泡洗是利用化學(xué)藥劑浸泡積炭部件，通過化學(xué)反應(yīng)使得積炭脫落，該方法主要針對葉片等小零件；高溫?zé)Y(jié)主要針對燃燒室噴嘴等零件，但效果不佳、耗時長、能耗高；超聲波方法可去除一些體積較小的零部件，耗時長且不能以部件狀態(tài)清洗。發(fā)動機(jī)修理裝配現(xiàn)場的積炭清洗目前還停留在手工打磨與清洗劑并用的方法，通常需要2～3人耗時3天才能完成?？傊陨戏椒ù嬖诠δ軉我?、設(shè)備昂貴能耗高、清洗耗時長和清潔度不高等缺點。而在汽車、核工業(yè)及軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的干冰射流清洗技術(shù)去除污染物，通用性強(qiáng)且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。創(chuàng)新團(tuán)隊從理論、仿真與試驗等方面探究了干冰清洗作用機(jī)理，開發(fā)出適用于航空發(fā)動機(jī)零部件積炭清洗的工藝方法，并將該技術(shù)應(yīng)用至發(fā)動機(jī)的修理中。

干冰射流清洗技術(shù)機(jī)理

干冰射流清洗技術(shù)也稱為干冰冷噴射清洗技術(shù)，是一種以干冰微粒的碰撞、高速氣流吹掃作用為主的動力學(xué)過程，以液態(tài)二氧化碳溶解作用為主的化學(xué)過程，以熱沖擊作用、升華作用為主的熱力學(xué)過程等共同作用的清洗方法，如圖1所示。

圖1 干冰射流清洗積炭機(jī)理分析

撞擊、吹掃作用

干冰微粒伴隨壓縮空氣由噴槍噴射至零件表面，撞擊污染物時發(fā)生的動量轉(zhuǎn)移，克服了污染物與零件表面的黏結(jié)力；過程中的熱交換使得污垢層遇冷后急劇收縮、變脆及龜裂，在高速氣流的吹掃下易清除。

液態(tài)二氧化碳的溶解作用

干冰微粒與污染物接觸后，二氧化碳微粒噴射流變成了氣體、液體、固體三相共存的體系，其中液相二氧化碳是有機(jī)污垢的最好溶劑，使得有機(jī)污垢更加容易溶解。

熱沖擊作用

當(dāng)干冰微粒射向表面時，由于干冰微粒升華使得氣流溫度瞬間降低，因零件基體與污染物的熱膨脹系數(shù)不同，污染物的結(jié)合力降低，在低溫作用下破裂成碎片，在氣流的作用下被吹掃帶走。

干冰微粒升華

當(dāng)干冰暴露在常溫常壓（20℃，1atm）的環(huán)境下，干冰會吸熱迅速膨脹成氣體。干冰微粒與污垢層發(fā)生撞擊后迅速升華成二氧化碳?xì)怏w，短時間內(nèi)空間體積會瞬間擴(kuò)大898倍，細(xì)碎的干冰微粒進(jìn)入污染物間隙后，體積瞬間膨脹，在一定程度上起到去除污染物的作用。工件表面層的污染物在發(fā)生彈性撞擊及由于升華作用發(fā)生“微爆炸”后，脫落的污染物在高速氣流的吹掃作用下吹掃干凈，從而不會在工件表面留下其他雜質(zhì)。

干冰射流清洗試驗與仿真

試驗裝置

干冰射流清洗系統(tǒng)主要包括干冰清洗機(jī)、空氣壓縮機(jī)和儲氣罐等，如圖2所示。干冰顆粒初始尺寸為長1～3mm、直徑1mm。

圖2 試驗裝置

仿真模型

利用Fluent軟件對噴嘴流場及干冰顆粒運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，基于計算流體動力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲得氣體的速度場、壓力場分布情況。干冰微粒噴射過程實際上是一種兩相運(yùn)動，包含干冰顆粒的固相和壓縮空氣的氣流相。在連續(xù)的氣流相中加入干冰顆粒，將會引起氣流的流動狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)影響。使用Fluent軟件模擬干冰顆粒運(yùn)動軌跡，可看作是氣體和干冰顆粒的氣固兩相流仿真。由于噴嘴內(nèi)部和外部壓力相差較大，會產(chǎn)生壓力波和激波，采用二維模型能夠很好地捕捉到軸線附近的壓力波動。

仿真、試驗結(jié)果分析及應(yīng)用

仿真結(jié)果分析

利用Fluent分析軟件對干冰微粒的運(yùn)動情況進(jìn)行模擬仿真。首先待氣相流場穩(wěn)定，然后設(shè)置干冰微粒的相關(guān)參數(shù)，加載可形變部件模型（DPM），待殘差收斂后，查看顆粒的運(yùn)動軌跡及干冰微粒的速度分布情況。

干冰微粒經(jīng)噴槍加速后，在射流空間中先呈聚集狀態(tài)噴射，然后呈發(fā)散狀態(tài)噴射，F(xiàn)luent模擬噴嘴內(nèi)部和外部氣流流場速度分布云圖及對稱軸線速度變化曲線如圖3所示，云圖反映出噴嘴氣體速度大小的差異。拉瓦爾噴嘴在出口外產(chǎn)生激波，形成了膨脹波與激波相交和反射的現(xiàn)象，最大速度集中在5～15cm范圍內(nèi)，即干冰微粒噴射清洗常用噴射的距離，此時噴嘴產(chǎn)生的氣流依舊能保持較高的速度，噴嘴會有更高的拋光清洗效率。

圖3 噴嘴速度與壓力分布情況

通過仿真可以看出，噴射壓力為0.7MPa時，干冰粒子的速度與噴射距離有較大關(guān)系，距離噴嘴出口在5～15cm的距離時，干冰微粒速度會在400～550m/s范圍內(nèi)變化。由干冰粒子的運(yùn)動軌跡可知拉瓦爾噴嘴射流發(fā)散，當(dāng)工作距離在10 cm附近時清洗效率較高，因此在實際工藝中對噴射距離的掌握尤為重要。

試驗結(jié)果分析

根據(jù)仿真計算的結(jié)果，干冰射流清洗積炭試驗過程中的噴射壓力設(shè)為0.7MPa，噴射角度為60°，噴射距離為10cm。結(jié)果顯示，積炭在干冰射流的撞擊下極易脫落，僅需約11s的時間就可以把面積為62cm2的積炭清除干凈，清洗效率達(dá)95%以上，對比清洗進(jìn)程圖，清洗前后效果明顯，如圖4所示。

圖4 干冰射流清洗積碳過程

材料屬性分析

創(chuàng)新團(tuán)隊對常見的航空發(fā)動機(jī)材料，如不銹鋼、鈦合金和高溫合金，在干冰清洗前后的材料屬性進(jìn)行了分析，以驗證該技術(shù)的適用性。

從干冰射流清洗技術(shù)對樣件表面形貌的影響來看，經(jīng)過干冰射流清洗后，表面的加工痕跡和紋理明顯減輕，表面質(zhì)量得到改善；從粗糙度分析結(jié)果來看，干冰清洗技術(shù)在去除積炭的同時，還可降低表面粗糙度，起到光整作用。值得注意的是，起到光整作用所需的時間遠(yuǎn)大于清洗積炭所需的時間，故在干冰射流清洗積炭過程中幾乎不會影響表面粗糙度；同時，創(chuàng)新團(tuán)隊對樣件進(jìn)行金相檢查，清洗前后試樣形貌一致，均未見氧化、腐蝕特征，也未見晶間氧化現(xiàn)象。

應(yīng)用驗證

根據(jù)仿真、試驗及材料屬性分析可知，干冰射流清洗技術(shù)積炭清除效果好，且對材料無影響。創(chuàng)新團(tuán)隊隨后對發(fā)動機(jī)零部件進(jìn)行了干冰清洗積炭實際應(yīng)用驗證，清洗前后對比效果明顯，同時對各零部件目視檢查，表面均無明顯損傷，如圖5所示。

圖5 干冰射流清洗加力筒體對比

結(jié)束語

干冰射流清洗技術(shù)具有干冰微粒沖擊力高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)單件或裝配狀態(tài)下組件復(fù)雜空間的積炭清洗，通用性強(qiáng)，在清洗航空發(fā)動機(jī)零組件積炭具有良好的應(yīng)用前景。相對于高溫?zé)Y(jié)與清洗劑，該技術(shù)大大降低了生產(chǎn)耗能，同時極大地縮短了零部件積炭清洗周期，節(jié)省了排故周轉(zhuǎn)時間，提升了生產(chǎn)效率。