艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗初步研究及驗(yàn)證

鄢駿 段輝 鄭益民

摘 要：對(duì)于長(zhǎng)期在海洋環(huán)境中使用的艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)清洗直接影響其使用壽命。隨著國(guó)產(chǎn)艦載直升機(jī)與日俱增，對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的艦上清洗維護(hù)提出了更高要求。本文對(duì)艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境特點(diǎn)、熱清洗國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析介紹，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證情況，對(duì)某型艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展熱清洗進(jìn)行了初步評(píng)估驗(yàn)證，為后續(xù)研究工作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī);熱清洗;研究驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：V263.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）10-0132-03

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)清洗是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)工作的重要組成部分，是發(fā)動(dòng)機(jī)為適應(yīng)不同使用環(huán)境，為保持或恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能而采取的重要的主動(dòng)防護(hù)措施，特別是對(duì)于艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境，大量鹽結(jié)晶物極易引起發(fā)動(dòng)機(jī)葉片腐蝕，清洗工作的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。本文對(duì)艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境特點(diǎn)、熱清洗國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析介紹，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證情況，對(duì)某型艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗情況進(jìn)行了初步評(píng)估驗(yàn)證，為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。

1 使用環(huán)境特點(diǎn)

1.1大氣環(huán)境特點(diǎn)

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)因其低空使用特點(diǎn)，其在鹽霧環(huán)境、污染環(huán)境、沙塵環(huán)境等不良大氣環(huán)境（見(jiàn)表1）中工作時(shí)間較長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、壓氣機(jī)葉片等流道零件上的往往會(huì)有不同的附著物，主要包括鹽漬、油脂、工業(yè)粉塵等。附著物一方面會(huì)產(chǎn)生腐蝕，另一方面會(huì)使葉片等零件表面粗糙、幾何形狀發(fā)生改變，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用。故發(fā)動(dòng)機(jī)往往要通過(guò)清洗來(lái)清除相關(guān)附著物，恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

艦載直升機(jī)任務(wù)區(qū)域主要在臨海海軍基地及其臨近海域，也會(huì)隨艦出海執(zhí)行任務(wù)，污染及砂塵天氣較少，主要為鹽霧環(huán)境，發(fā)動(dòng)機(jī)主要是受到鹽霧腐蝕，清洗的目的主要是除鹽。

1.2維護(hù)保障特點(diǎn)

艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)與陸軍型相比，存在一些特殊性，艦船甲板空間有限，要求維護(hù)設(shè)備盡可能小且通用性強(qiáng)，清洗系統(tǒng)盡可能與發(fā)動(dòng)機(jī)融合設(shè)計(jì)。由于艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在鹽霧環(huán)境下使用，為清除鹽分避免腐蝕，造成外場(chǎng)清洗頻次相當(dāng)高，基本每日飛行結(jié)束后都會(huì)進(jìn)行清洗。此外，因甲板空間有限，輪換率很高，要求直升機(jī)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成日常維護(hù)工作，從而發(fā)動(dòng)機(jī)清洗時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題不斷凸顯，如飛行后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷清洗，由于溫度限制（一般燃?xì)鉁u輪出口溫度需低于70℃～100℃），空、地勤人員需等待大約1h～2h，需長(zhǎng)時(shí)間占用甲板，嚴(yán)重影響出勤率。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)清洗發(fā)展概況

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)清洗的種類及定義

如上所述，因發(fā)動(dòng)機(jī)使用的環(huán)境不同，其流葉片附著物各種各樣，附著力也不盡相同，但大致可以分為鹽分類和由砂塵、工業(yè)粉塵、昆蟲(chóng)、油類等組成的油脂污垢兩類。它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響作用形式有差異。鹽分主要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱腐蝕影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。而油脂污垢主要通過(guò)降低壓氣機(jī)效率影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能[2-5]。為清除這兩大類附著物，一般采用兩種清洗方式：冷清洗和熱清洗。

冷清洗一般是指發(fā)動(dòng)機(jī)在冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，向發(fā)動(dòng)機(jī)噴入清洗液或水清洗流道內(nèi)的污漬。冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間較短，一般為幾十秒鐘，轉(zhuǎn)速低，相對(duì)安全可靠，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性以及對(duì)葉片的沖刷影響相對(duì)較小，但由于液滴與葉片的沖擊力降低，對(duì)清洗液本身的納污能力提出更高的要求。此外，由于在發(fā)動(dòng)機(jī)冷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行，需將發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度下降到一定數(shù)值后方可實(shí)施，等待時(shí)間長(zhǎng)。典型采用冷清洗的發(fā)動(dòng)機(jī)如美制T700系列發(fā)動(dòng)機(jī)。

熱清洗一般是指發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，向發(fā)動(dòng)機(jī)噴入清洗液或水來(lái)清除流道內(nèi)的污漬。熱清洗由于直接在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行，可顯著縮短空地勤人員等待時(shí)間，特別是對(duì)艦載直升機(jī)，著艦后可直接進(jìn)行清洗，減少占用甲板時(shí)間。且與冷清洗相比，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，利用液滴與葉片的沖擊力可以達(dá)到更好的清洗效果，但同時(shí)熱清洗會(huì)引起短時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度變化，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性。如果使用清洗劑，由于清洗劑一般為易燃有機(jī)化合物，當(dāng)噴入的清洗劑過(guò)多時(shí)，存在瞬時(shí)超溫、爆燃等風(fēng)險(xiǎn)。故為降低風(fēng)險(xiǎn)，熱清洗一般都選擇在發(fā)動(dòng)機(jī)地面慢車狀態(tài)進(jìn)行，且嚴(yán)格控制噴入清洗液的流量。典型采用熱清洗的發(fā)動(dòng)機(jī)如俄制TV3-117發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2國(guó)內(nèi)外渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗現(xiàn)狀

2.2.1國(guó)外典型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗現(xiàn)狀

針對(duì)俄制海軍型TV3-117渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，并查閱了ARRIUS 2F、PT6B等國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)的清洗資料。主要情況如表2、表3。

由表中可以看出，法產(chǎn)的ARRIUS 2F、MAKILA 2A發(fā)動(dòng)機(jī)以及ARRIEL系列發(fā)動(dòng)機(jī)，既可以采用冷清洗也可以采用熱清洗進(jìn)行除鹽清洗。美系的PT6系列發(fā)動(dòng)機(jī)以及T700系列發(fā)動(dòng)機(jī)，均采用冷清洗進(jìn)行除鹽清洗。俄制的TV3-117發(fā)動(dòng)機(jī)采用熱清洗方式進(jìn)行除鹽清洗?？紤]到水可以有效地溶解鹽分，故所有除鹽清洗均以清水為主要清洗液。

2.2.2國(guó)內(nèi)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗現(xiàn)狀

根據(jù)已公布的資料，目前除引進(jìn)的渦軸-8系列發(fā)動(dòng)機(jī)外，其余國(guó)產(chǎn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（例如渦軸-6、渦軸-9系列）均采用冷清洗進(jìn)行除鹽清洗。

2.3 小結(jié)

綜上所述，渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)因使用環(huán)境特點(diǎn)，都將清洗作為重要的維護(hù)手段，不管是冷清洗還是熱清洗，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但考慮到艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)保障特點(diǎn)，熱清洗可顯著提高除鹽清洗效率，艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)更多選擇采用熱清洗。熱清洗因其在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行，因安全因素維護(hù)人員無(wú)法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力艙進(jìn)行操作。且因清洗時(shí)轉(zhuǎn)速及溫度相對(duì)較高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間工作穩(wěn)定性影響較大，長(zhǎng)時(shí)間、高頻次的沖刷，也會(huì)對(duì)壓氣機(jī)葉片（包括流道涂層等）的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及壽命產(chǎn)生較大影響。

3某艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗初步評(píng)估驗(yàn)證

以某艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)動(dòng)機(jī)）為例，以除鹽為目的，開(kāi)展熱清洗評(píng)估論證，選擇清水為熱清洗時(shí)的清洗液，因研究周期所限，本文主要是基于已有的試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)可行性以及發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)工作穩(wěn)定性進(jìn)行了初步評(píng)估，并對(duì)工作穩(wěn)定性及清洗效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1分析評(píng)估

3.1.1清洗結(jié)構(gòu)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣設(shè)置有專門(mén)的清洗噴口和內(nèi)置管路[6]，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝至直升機(jī)后，直升機(jī)清洗管路與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣的清洗接頭相連，將清洗液輸送到進(jìn)氣機(jī)匣噴口，噴到壓氣機(jī)進(jìn)口。而直升機(jī)動(dòng)力艙外設(shè)置有清洗接口（如圖1所示），故發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗時(shí)，維護(hù)人員無(wú)需對(duì)直升機(jī)動(dòng)力艙進(jìn)行操作，只需將清洗設(shè)備連接至直升機(jī)清洗接頭即可，具備實(shí)現(xiàn)熱清洗的硬件條件。

3.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性評(píng)估

熱清洗時(shí)需向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口噴入清水，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備一定的吞水能力。該發(fā)動(dòng)機(jī)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求完成了吞水量占總進(jìn)口空氣質(zhì)量流量5%的吞水試驗(yàn)[7-8]，在地面慢車狀態(tài)吞水時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率下降約9%，燃?xì)鉁u輪出口總溫下降約8%，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速基本保持不變，停止吞水后，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)迅速恢復(fù)到吞水前水平，如圖2所示，可見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)具備在一定流量下，穩(wěn)定工作的能力。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為摸清更大流量熱清洗對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)工作穩(wěn)定性的影響，同時(shí)評(píng)估清洗效果，在分析評(píng)估基礎(chǔ)上，開(kāi)展了整機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)。考慮到整機(jī)試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、周期等因素，認(rèn)為短時(shí)間工作穩(wěn)定性和清洗效果驗(yàn)證是熱清洗的基本要求，試驗(yàn)周期短，難度相對(duì)較小，而長(zhǎng)時(shí)間高頻次熱清洗對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響驗(yàn)證是一個(gè)長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的驗(yàn)證過(guò)程，難度大、試驗(yàn)周期長(zhǎng)。故目前首先開(kāi)展短時(shí)工作穩(wěn)定性驗(yàn)證及清洗效果驗(yàn)證。

3.2.1工作穩(wěn)定性驗(yàn)證

雖然該型發(fā)動(dòng)機(jī)已完成了吞水試驗(yàn)，具備一定吞水能力，但考慮吞液量大，清洗效果會(huì)更好，故在吞水試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將地面慢車狀態(tài)熱清洗噴水量提高至發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量的6%、7%、8%，試驗(yàn)結(jié)果顯示，吞水過(guò)程中，除發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪出口總溫、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有可接受的變化外，其余參數(shù)未見(jiàn)明顯變化，如表4，且清洗結(jié)束后各項(xiàng)參數(shù)迅速恢復(fù)。

3.2.2清洗效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗的清洗效果，采用已驗(yàn)證的最大流量，開(kāi)展了三種污染狀況下的驗(yàn)證試驗(yàn)：采用20%濃度鹽水浸泡葉片;冷運(yùn)轉(zhuǎn)吸入5%濃度鹽水;地面慢車吸入5%濃度鹽水。

為了便于對(duì)清洗前后含鹽量測(cè)定，減少發(fā)動(dòng)機(jī)裝配次數(shù)，對(duì)1片壓氣機(jī)第四級(jí)靜子葉片進(jìn)行改裝，可在整機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行拆卸（如圖3所示）。通過(guò)對(duì)該片葉片進(jìn)行沖洗前后含鹽量對(duì)比來(lái)評(píng)估熱清洗的效果，并以清洗前后葉片含鹽量的差值與清洗前含鹽量的比值作為衡量清洗效果的標(biāo)準(zhǔn)[9]。

（1）20%濃度鹽水浸泡葉片后清洗效果。

本項(xiàng)共進(jìn)行了3組對(duì)照試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5，從表中可以看出平均除鹽率約為20%。

（2）冷運(yùn)轉(zhuǎn)吸入5%濃度鹽水后熱清洗效果。

本項(xiàng)共進(jìn)行了3組對(duì)照試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6，從表中可以看出平均除鹽效率約為60%。

（3）地面慢車吸入5%濃度鹽水后熱清洗效果。

本項(xiàng)因發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，只共進(jìn)行了1組對(duì)照試驗(yàn)。未沖洗時(shí)葉片含鹽量為14mg、沖洗后含鹽量為8mg，除鹽率約為43%。

3.3小結(jié)

綜上所述，通過(guò)對(duì)某艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱沖洗進(jìn)行分析評(píng)估及試驗(yàn)驗(yàn)證，可以看出該型發(fā)動(dòng)機(jī)清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本滿足熱清洗的硬件要求，通過(guò)整機(jī)試驗(yàn)拓寬了熱清洗吞水量的允許范圍，但合適的清洗液流量參數(shù)確定還需繼續(xù)開(kāi)展大量迭代驗(yàn)證。通過(guò)清洗效果驗(yàn)證試驗(yàn)可以看出，采用水進(jìn)行熱清洗，可以達(dá)到除鹽效果，但不同的污染狀況對(duì)熱清洗效率影響較大。

4 結(jié)論與展望

本文從艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境特點(diǎn)、維護(hù)保障特點(diǎn)以及熱清洗發(fā)展現(xiàn)狀等方面，對(duì)艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)熱清洗現(xiàn)狀進(jìn)行了研究分析，并以某艦載渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例從熱清洗對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間工作穩(wěn)定性影響以及清洗效果等方面進(jìn)行了初步評(píng)估驗(yàn)證，積累了經(jīng)驗(yàn)，后續(xù)可以以本文的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，繼續(xù)開(kāi)展熱清洗對(duì)零組件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、壽命影響等方面的研究工作。

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