通用型清洗設(shè)備設(shè)計(jì)研究

宋志佳， 吉海云， 劉元周， 袁肖民

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，不僅經(jīng)受風(fēng)吹、日曬、雨淋、溫度梯度的劇烈變化，還要經(jīng)受大氣中因現(xiàn)代工業(yè)廢氣、粉塵的排放而產(chǎn)生的大量鹽堿氣液所帶來(lái)的機(jī)體表面化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕。工業(yè)粉塵、發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)裝置泄漏的少量滑油被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后，便會(huì)附著在壓氣機(jī)葉片上，使葉片表面變得粗糙、葉片形狀發(fā)生改變，從而降低壓氣機(jī)的效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的喘振裕度。

為了延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝機(jī)時(shí)間，在一定程度上恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，發(fā)動(dòng)機(jī)清洗技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。鄭永靖等[1]指出東方航空公司武漢分公司利用自制發(fā)動(dòng)機(jī)清洗車對(duì)CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)清洗后EGT裕度恢復(fù)將近30℃，對(duì)CFM56-3發(fā)動(dòng)機(jī)清洗后EGT裕度恢復(fù)超過(guò)15 ℃。劉運(yùn)華[2]指出用傳統(tǒng)的清洗方法很難清洗掉發(fā)動(dòng)機(jī)葉片死角處搪瓷狀垢物，需要經(jīng)過(guò)清洗液的浸泡、溶解、稀釋、沖刷才能達(dá)到更有效的清洗，該方法已經(jīng)在新疆庫(kù)爾勒?qǐng)?zhí)行任務(wù)的飛機(jī)上應(yīng)用多年。杜來(lái)林等[3]針對(duì)直九型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓縮機(jī)及渦輪葉片的清洗設(shè)計(jì)了Z9FDQX型發(fā)動(dòng)機(jī)清洗車，該清洗車不僅可以清除灰塵、油垢，使發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)性能并降低故障概率，還可以清除鹽堿腐蝕，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。李本威等[4]針對(duì)某型艦載機(jī)的特殊進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了噴射支架并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與振動(dòng)分析。

目前，大多數(shù)研究者主要側(cè)重于航空發(fā)動(dòng)機(jī)清洗技術(shù)的研究，而對(duì)清洗設(shè)備（尤其是功能集成的通用化設(shè)備）的研究較少。本文設(shè)計(jì)了一種飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)通用清洗設(shè)備，既能夠?qū)Σ煌吞?hào)的飛機(jī)機(jī)身進(jìn)行沖洗，沖掉機(jī)身表面的污漬，又能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗，恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

1 工作原理

該清洗設(shè)備由泵提供動(dòng)力，將清洗用液體從箱內(nèi)泵出，通過(guò)回水管路中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制回水量，從而調(diào)節(jié)出水管路的壓力進(jìn)行不同型號(hào)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗。管路中設(shè)有流量傳感器，用于監(jiān)測(cè)清洗液體的流量，確保滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗要求。泵后設(shè)置溢流閥，若泵后管路中壓力過(guò)高，則溢流閥開(kāi)啟，保證泵及管路安全，防止發(fā)生危險(xiǎn)。沖洗過(guò)程結(jié)束后，可以使用壓縮空氣將管路中液體吹出，防止環(huán)境溫度較低時(shí)將管路凍壞。清洗設(shè)備工作原理如圖1所示，該設(shè)備主要由水箱、清洗劑箱、過(guò)濾 器 、泵、調(diào)節(jié)閥門、液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、軟管及清洗噴桿組成。

圖1 工作原理圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗設(shè)備采用整體單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以利用螺栓固定安裝在室內(nèi)，通過(guò)加長(zhǎng)輸送管路對(duì)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗，也可以通過(guò)簡(jiǎn)單改裝安裝至車輛上，移動(dòng)至飛機(jī)附近進(jìn)行清洗工作。清洗設(shè)備主要分為設(shè)備主體、出液管路及清洗噴桿等3部分。

2.1 設(shè)備主體

為了最大限度地減小清洗設(shè)備的體積，設(shè)備主體采用立體化布局。底座及框架由槽鋼焊接而成，既保證了足夠的支撐強(qiáng)度，又方便安裝。底座上設(shè)置接水槽，用于收集設(shè)備主體因故障及維修過(guò)程泄漏的液體，接水槽邊緣設(shè)置排液口，用于導(dǎo)出接水槽內(nèi)液體，在一定程度上保持了設(shè)備主體安裝空間的干凈、整潔。電動(dòng)機(jī)、高壓泵安裝于接水槽上的安裝座上，各種閥門、傳感器則設(shè)置于電動(dòng)機(jī)、高壓泵的正上方，保證了足夠的維修空間。水箱及清洗劑箱共用一個(gè)箱體，安裝于高壓泵的斜上方，箱體分為兩個(gè)區(qū)，分別用于裝水和清洗劑。水箱及清洗劑箱頂部均設(shè)置空濾器，用于噴水過(guò)程中空氣能夠及時(shí)地補(bǔ)充至相應(yīng)的箱體內(nèi)。考慮到清洗劑的用量較小，加注頻率較低，因而清洗劑箱的空濾器除了具有向箱體內(nèi)補(bǔ)充空氣的功能，其安裝口還可用于向箱內(nèi)加注清洗劑。水箱注液口設(shè)置過(guò)濾器及電磁閥，確保能夠遠(yuǎn)程控制對(duì)水箱補(bǔ)充潔凈的水用于飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗。水箱及清洗劑箱均安裝液位計(jì)及液位傳感器，液位計(jì)能夠直接在本地顯示出箱體內(nèi)液體高度，而液位傳感器則可以將采集的信號(hào)直接傳輸至控制箱從而參與到?jīng)_洗站的控制之中。箱體兩側(cè)均設(shè)置人孔蓋，用于清理、清洗水箱及清洗劑箱。

2.2 出液管路

出液管路由鋼管及軟管組成，液體在鋼管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中壓力損失較小，因此清洗設(shè)備主體至專用清洗機(jī)位間用鋼管進(jìn)行連接，而考慮到清洗操作的便利性，采用DN20橡膠軟管將清洗液體輸送至飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行清洗工作。

2.3 清洗噴桿

作為通用型清洗設(shè)備，除了能夠?yàn)榍逑垂ぷ魈峁┏渥愕膲毫扒逑从靡后w外，還要根據(jù)不同的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)清洗接口提供合適的清洗噴桿。

2.3.1 機(jī)身清洗噴桿

機(jī)身沖洗主要是利用清洗噴桿噴射出的高速水流將飛機(jī)飛行過(guò)程中外表面沉積的鹽霧、灰塵、油污、氧化物等污染物洗掉，以減少摩擦阻滯、腐蝕等情況。

清洗設(shè)備的機(jī)身沖洗噴桿主要由不銹鋼材質(zhì)制成，通過(guò)快換接頭與橡膠軟管進(jìn)行快速連接?？紤]到不同機(jī)型清洗要求的差異，設(shè)計(jì)了多種清洗噴嘴供噴桿選擇性安裝。如某型飛機(jī)機(jī)身沖洗過(guò)程中，既要盡可能將機(jī)身表面沖洗干凈，又要確保水流沖擊不會(huì)對(duì)機(jī)身產(chǎn)生影響，因而噴嘴的設(shè)計(jì)噴射流量不大于35 L/min，既可以扇形噴射，沖洗掉機(jī)身表面的附著灰塵，又可以經(jīng)過(guò)調(diào)整后以水柱形式噴射，增加對(duì)頑固污漬的噴射力度，增強(qiáng)噴射沖洗效果。

2.3.2 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)清洗噴桿

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率低、噪聲小，被廣泛用于大型民用和軍用運(yùn)輸機(jī)及其他大型亞聲速飛機(jī)。航空公司一般按照規(guī)定的時(shí)間、頻率進(jìn)行清洗，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度與穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)值之間裕度減小時(shí)，通常需要進(jìn)行計(jì)劃外清洗，清洗后可使排氣溫度降低約20 ℃。

該大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)清洗噴桿主要由鉤形噴桿、夾座、快換接頭等部分組成，如圖2所示。鉤形噴桿可沿順航向9點(diǎn)鐘、3點(diǎn)鐘位置從發(fā)動(dòng)機(jī)外涵流道，沿分流環(huán)伸入風(fēng)扇出口，鉤形噴桿出口對(duì)準(zhǔn)增壓級(jí)入口，鉤形噴桿通過(guò)夾座夾緊在短艙內(nèi)轉(zhuǎn)接環(huán)上。鉤形噴桿的彎管處安裝一段橡膠軟管，防止使用過(guò)程中磨損發(fā)動(dòng)機(jī)分流環(huán)。為了確保使用安全，鉤形噴桿彎管部分最外沿與風(fēng)扇葉片的最小距離不小于10 mm。夾座由硬度較低的金屬制成，按照發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)接環(huán)形狀進(jìn)行開(kāi)槽，安裝至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)接環(huán)后用螺釘固定。

圖2 大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)清洗噴桿

2.3.3 小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)清洗噴桿

小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大、速度高，通常用于戰(zhàn)斗機(jī)上。戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境更加復(fù)雜，超低空突防的沙塵、近海面飛行的鹽霧、島礁駐扎的濕熱無(wú)一不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成嚴(yán)峻考驗(yàn)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗則能夠有效防止發(fā)動(dòng)機(jī)葉片腐蝕，并且在一定程度上恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

某型小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)之初便考慮到后期的清洗維護(hù)工作，因而在進(jìn)氣機(jī)匣預(yù)置了清洗噴嘴，發(fā)動(dòng)機(jī)日常維護(hù)清洗過(guò)程中只需要將清洗管路連接至噴嘴的接口即可。發(fā)動(dòng)機(jī)在恢復(fù)性能清洗過(guò)程中需要專用的高壓壓氣機(jī)清洗噴桿。如圖3所示，高壓清洗噴桿由噴嘴、噴桿管、墊片、安裝螺母、壓緊螺母及快換接頭組成。清洗過(guò)程中，將噴桿沿高壓壓氣機(jī)孔探孔插入至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)90°使噴嘴卡緊在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵孔探孔，此時(shí)再將安裝螺母擰到外涵孔探孔，最后用壓緊螺母將墊片壓緊，防止清洗過(guò)程中液體沿噴桿流出對(duì)飛機(jī)造成影響。

圖3 小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)清洗噴桿

對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮清洗維護(hù)的小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)，則需要在飛機(jī)進(jìn)氣道安裝噴射支架進(jìn)行日常維護(hù)清洗工作。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)以可編程控制器為主控制器，將各個(gè)功能旋鈕、按鈕及指示燈布置于遠(yuǎn)程控制箱面板，面板上設(shè)置顯示屏，能夠?qū)崟r(shí)顯示清洗設(shè)備的工作狀態(tài)。設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，控制面板上報(bào)警指示燈亮起，同時(shí)伴隨著蜂鳴器的響起，使操作者能夠及時(shí)了解故障的發(fā)生并作出判斷。

4 操作和使用

按照清洗流程向水箱及清洗劑箱加注液體，液體不超過(guò)液位計(jì)最高控制線。連接電源線，通電檢查各個(gè)電器元件是否正常工作，對(duì)于故障元件應(yīng)維修或者更換。按照清洗流程選擇清洗噴桿，機(jī)身沖洗時(shí)需要手持噴桿，而發(fā)動(dòng)機(jī)清洗則需要打開(kāi)飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)上相應(yīng)的口蓋使噴桿與發(fā)動(dòng)機(jī)相連?？刂泼姘迳线x擇沖洗模式，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷運(yùn)轉(zhuǎn)，按下控制面板沖洗按鈕進(jìn)行沖洗流程。沖洗結(jié)束后，若室外溫度較低，則需要利用壓縮空氣將管路中殘余的液體吹出，避免管路結(jié)冰凍裂。

當(dāng)水箱內(nèi)液體低于液面下限控制值時(shí)，注水電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行注水，而當(dāng)液面到達(dá)上限控制值時(shí)，電磁閥關(guān)閉，停止注水。

5 結(jié) 語(yǔ)

該通用型清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，通過(guò)增加渦軸、渦噴、燃?xì)廨啓C(jī)等其它發(fā)動(dòng)機(jī)清洗噴桿后即可進(jìn)行幾乎所有飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗工作，能夠有效滿足機(jī)場(chǎng)、部隊(duì)等飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)清洗工作的需要，在一定程度上減少保障設(shè)備的數(shù)量。