熱態(tài)沖洗對某型渦軸發(fā)動機(jī)影響試驗研究

金洪江，蔡百鳴，宋鵬磊，陸慧華

(中國航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213000)

1 引 言

航空發(fā)動機(jī)在含鹽分粒子的腐蝕性大氣環(huán)境中工作后，其壓氣機(jī)葉片以及內(nèi)部流道件上會沉淀腐蝕性的鹽分粒子，不僅會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)性能衰減，還會造成零件腐蝕，帶來安全隱患。解決此問題最有效的辦法是對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗，去除氣流通道上的鹽分粒子，減輕腐蝕，同時恢復(fù)發(fā)動機(jī)性能。如某型發(fā)動機(jī)維護(hù)手冊要求，在高度低于500m的海上飛行后，要求當(dāng)天最后一次飛行后對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗,以去除氣流通道上的鹽分粒子。

為了去除進(jìn)氣道上的鹽分粒子,目前國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)基本采用冷態(tài)清洗的方式，在發(fā)動機(jī)冷運轉(zhuǎn)(啟動發(fā)動機(jī)帶轉(zhuǎn))過程中從氣流通道噴入清洗液來對內(nèi)部流道件進(jìn)行清洗。由于發(fā)動機(jī)剛停車后，熱端部件溫度還很高，如果立刻進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗，噴入的清洗液對熱端部件局部進(jìn)行大幅降溫，可能會使其受熱不均而造成損壞；清洗液中的清洗劑也有可能在接觸高溫葉片后著火，損傷發(fā)動機(jī)。所以，為確保發(fā)動機(jī)的安全，在發(fā)動機(jī)停車熄火后，需要等燃?xì)鉁u輪后余溫下降到一定值后才能進(jìn)行清洗。高溫天氣下，等待的時間往往很長，有可能達(dá)到2至3個小時，再加上進(jìn)行冷清洗(包括冷運轉(zhuǎn)噴清洗液、浸泡20min、烘干等)的時間約1h，這對于長期近海執(zhí)行任務(wù)來說，每日進(jìn)行除鹽清洗，維護(hù)任務(wù)繁重，給使用帶來很大不便。

對于除鹽清洗，國外多型航空發(fā)動機(jī)允許采用熱態(tài)沖洗方式，其在海上飛行后，發(fā)動機(jī)在地慢狀態(tài)直接進(jìn)行熱態(tài)沖洗，其優(yōu)點主要是準(zhǔn)備工作簡單，清洗時間短。

為了提高某型渦軸發(fā)動機(jī)的外場維修性，縮短發(fā)動機(jī)清洗時間，選用一臺發(fā)動機(jī)在試車臺上開展整機(jī)熱態(tài)沖洗試驗，分析研究熱態(tài)沖洗對發(fā)動機(jī)的影響，為工程化應(yīng)用提供技術(shù)儲備。

2 某型渦軸發(fā)動機(jī)熱態(tài)沖洗試驗方法

結(jié)合某型渦軸發(fā)動機(jī)地面試車臺1∶1壽命考核長期試車，開展熱態(tài)沖洗試驗研究。試車臺布局如圖1所示，發(fā)動機(jī)安裝在試車臺上，與測功器相連。清洗噴嘴通過支架固定在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量筒前，清洗設(shè)備與清洗噴嘴通過軟管連接。當(dāng)發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時，只要開啟清洗設(shè)備，就能實現(xiàn)整機(jī)熱態(tài)沖洗。

圖1 試車臺布局

清洗液：由于發(fā)動機(jī)熱態(tài)沖洗的目的主要是去除氣流通道內(nèi)的鹽分粒子，水對鹽分粒子本身就具有很好的溶解能力，能夠起到較好的清洗效果。參考阿赫耶發(fā)動機(jī)的清洗要求，采用水清洗。另外，水溫越高對鹽分粒子的溶解性越好，但考慮到方便外場使用，本次熱態(tài)清洗試驗選用常溫自來水作為清洗液。

清洗轉(zhuǎn)速：選擇在地面慢車轉(zhuǎn)速進(jìn)行熱態(tài)沖洗。

清洗液總量：每次清洗采用清洗液7L。

清洗流量：根據(jù)試驗情況適當(dāng)增減。

清洗頻率：參考外場清洗頻率，選擇每天(每天約進(jìn)行10階段試車)進(jìn)行一次熱態(tài)沖洗。

清洗流程：在發(fā)動機(jī)長試過程，某一階段工作完成后，發(fā)動機(jī)在地慢轉(zhuǎn)速穩(wěn)定2min，等燃?xì)鉁u輪后溫度穩(wěn)定后，開始進(jìn)行熱態(tài)沖洗試驗。清洗液按設(shè)定的流量從進(jìn)氣道前噴入，清洗過程中觀察并記錄燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁u輪后溫度、燃油流量等參數(shù)的變化情況。清洗完成后，發(fā)動機(jī)在地面慢車狀態(tài)繼續(xù)工作30s，烘干進(jìn)氣道后停車。

3 熱態(tài)沖洗影響分析

3.1 燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下降影響分析

在對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗時，水和空氣的質(zhì)量比越大，清洗效果越好。同樣霧化質(zhì)量下，當(dāng)流量較小時，通過延長清洗時間并不能達(dá)到同樣的效果。因此，水和空氣的質(zhì)量比越大越好，但以不導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火為前提。

發(fā)動機(jī)在熱態(tài)沖洗過程中，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速會有一定的下降。為保證清洗過程中發(fā)動機(jī)不熄火，燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下降值不能太大，參考國外其他發(fā)動機(jī)清洗要求，規(guī)定發(fā)動機(jī)在熱態(tài)沖洗過程中燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下降不能超過10%。

為驗證清洗流量對發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速變化的影響，進(jìn)行不同噴嘴流量的清洗試驗，觀察燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速變化情況，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同噴嘴流量下發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速變化

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以看出，噴嘴流量是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降量的直接影響因素。在其他條件保持不變的情況下，噴嘴流量越大，發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下降越大。當(dāng)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下降超過一定值后，發(fā)動機(jī)熄火。

3.2 整機(jī)性能恢復(fù)影響分析

熱態(tài)沖洗的目的是去除進(jìn)氣道上的鹽分粒子，本次臺架試驗未開展專題試驗對除鹽效果進(jìn)行評估，但從本次試驗情況來看，熱態(tài)沖洗還能在一定程度上去除進(jìn)氣道積垢，起到恢復(fù)發(fā)動機(jī)性能的作用。

將本次采用熱態(tài)沖洗(約10階段一次,共95次)的發(fā)動機(jī)與相同型號采用冷態(tài)清洗(約150階段一次，共6次)的發(fā)動機(jī)臺架長試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和對比(見圖2),發(fā)現(xiàn)進(jìn)行熱態(tài)沖洗的發(fā)動機(jī)在整個長試過程中性能基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)大幅下降的情況。而未進(jìn)行熱態(tài)沖洗的發(fā)動機(jī)初始性能相當(dāng)，但整個長試過程中性能降幅較大，除冷清洗后性能出現(xiàn)短暫恢復(fù)外，發(fā)動機(jī)性能總體呈現(xiàn)下降趨勢。這說明熱態(tài)沖洗可在一定程度上去除發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的積垢，達(dá)到恢復(fù)整機(jī)性能的效果，使發(fā)動機(jī)性能保持相對穩(wěn)定。

圖2 熱態(tài)沖洗和冷態(tài)清洗兩次試驗性能對比

3.3 整機(jī)壽命耐久影響分析

熱清洗作為海上日常除鹽清洗手段，在每日飛行后都會進(jìn)行，熱清洗的頻次較高。整個壽命期內(nèi)，多次的熱態(tài)沖洗會對高轉(zhuǎn)速的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片造成沖擊，可能會造成發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片盤疲勞損傷，對使用壽命造成影響。清洗液隨著壓氣機(jī)內(nèi)空氣溫度的升高逐漸汽化，汽化后的清洗液對燃燒室及渦輪清洗效果減弱，未汽化的清洗液與熱端部件表面接觸會造成一定的溫度沖擊，可能會對熱端部件的材料或涂層造成影響。

為分析熱態(tài)沖洗對發(fā)動機(jī)整機(jī)壽命耐久性的影響，在長試結(jié)束后，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分解檢查。經(jīng)目視檢查，壓氣機(jī)、渦輪部件轉(zhuǎn)子葉尖無刮磨等現(xiàn)象，轉(zhuǎn)、靜子葉片熱障涂層完好。對氣流通道相關(guān)零部件進(jìn)行無損檢查，結(jié)果正常。對熱端部件4個轉(zhuǎn)子進(jìn)行計量，經(jīng)過一個壽命期，葉片的變化量滿足一個翻修間隔期使用后的變形量要求，且變形量與冷態(tài)清洗的長試發(fā)動機(jī)相當(dāng)(見表2)。

表2 轉(zhuǎn)子變形量對比

3.4 整機(jī)維修性影響分析

對于長期近海執(zhí)行任務(wù)的發(fā)動機(jī)，每日需進(jìn)行除鹽清洗，采用冷清洗的方式清洗時間較長(包括冷運轉(zhuǎn)噴清洗液、浸泡20min、發(fā)動機(jī)啟動烘干等，清洗時間約1h)。而采用熱態(tài)沖洗的方式，可以極大地縮短清洗時間(且不需再次啟動烘干)，有效提高發(fā)動機(jī)外場維修性。長試過程中每次熱態(tài)清洗時間見表3。

表3 長試過程中每次熱態(tài)清洗時間

4 結(jié) 論

通過開展某型渦軸發(fā)動機(jī)熱態(tài)沖洗試驗，分析研究清洗對該型發(fā)動機(jī)的影響，可用于后續(xù)改進(jìn)的工程應(yīng)用。通過開展流量試驗，得到了發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速下降與清洗流量的關(guān)系。通過試車考核后的分解檢查，驗證了熱態(tài)沖洗滿足發(fā)動機(jī)壽命耐久性的要求。通過性能數(shù)據(jù)的分析統(tǒng)計，證明了熱態(tài)沖洗可以更好地保持壽命期內(nèi)的功率穩(wěn)定。