鄢駿 段輝 鄭益民

摘 要：對于長期在海洋環(huán)境中使用的艦載渦軸發(fā)動機，發(fā)動機清洗直接影響其使用壽命。隨著國產(chǎn)艦載直升機與日俱增，對渦軸發(fā)動機的艦上清洗維護提出了更高要求。本文對艦載渦軸發(fā)動機使用環(huán)境特點、熱清洗國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析介紹，并結(jié)合試驗驗證情況，對某型艦載渦軸發(fā)動機開展熱清洗進行了初步評估驗證，為后續(xù)研究工作打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：艦載渦軸發(fā)動機;熱清洗;研究驗證

中圖分類號：V263.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）10-0132-03

0 引言

發(fā)動機清洗是現(xiàn)代航空發(fā)動機維護工作的重要組成部分，是發(fā)動機為適應不同使用環(huán)境，為保持或恢復發(fā)動機性能而采取的重要的主動防護措施，特別是對于艦載渦軸發(fā)動機，由于其長期處于海洋環(huán)境，大量鹽結(jié)晶物極易引起發(fā)動機葉片腐蝕，清洗工作的好壞直接影響發(fā)動機的使用壽命。本文對艦載渦軸發(fā)動機使用環(huán)境特點、熱清洗國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析介紹，并結(jié)合試驗驗證情況，對某型艦載渦軸發(fā)動機熱清洗情況進行了初步評估驗證，為后續(xù)工作打下基礎(chǔ)。

1 使用環(huán)境特點

1.1大氣環(huán)境特點

渦軸發(fā)動機因其低空使用特點，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（見表1）中工作時間較長，發(fā)動機進氣道、壓氣機葉片等流道零件上的往往會有不同的附著物，主要包括鹽漬、油脂、工業(yè)粉塵等。附著物一方面會產(chǎn)生腐蝕，另一方面會使葉片等零件表面粗糙、幾何形狀發(fā)生改變，導致發(fā)動機性能惡化，嚴重影響發(fā)動機使用。故發(fā)動機往往要通過清洗來清除相關(guān)附著物，恢復發(fā)動機性能。

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

1.2維護保障特點

艦載渦軸發(fā)動機維護與陸軍型相比，存在一些特殊性，艦船甲板空間有限，要求維護設(shè)備盡可能小且通用性強，清洗系統(tǒng)盡可能與發(fā)動機融合設(shè)計。由于艦載渦軸發(fā)動機長期在鹽霧環(huán)境下使用，為清除鹽分避免腐蝕，造成外場清洗頻次相當高，基本每日飛行結(jié)束后都會進行清洗。此外，因甲板空間有限，輪換率很高，要求直升機在盡可能短的時間內(nèi)完成日常維護工作，從而發(fā)動機清洗時間長的問題不斷凸顯，如飛行后對發(fā)動機進行冷清洗，由于溫度限制（一般燃氣渦輪出口溫度需低于70℃～100℃），空、地勤人員需等待大約1h～2h，需長時間占用甲板，嚴重影響出勤率。

2 發(fā)動機清洗發(fā)展概況

2.1 發(fā)動機清洗的種類及定義

如上所述，因發(fā)動機使用的環(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、油類等組成的油脂污垢兩類。它們對發(fā)動機影響作用形式有差異。鹽分主要通過發(fā)動機冷、熱腐蝕影響發(fā)動機壽命。而油脂污垢主要通過降低壓氣機效率影響發(fā)動機性能[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)動機在冷運轉(zhuǎn)狀態(tài)，向發(fā)動機噴入清洗液或水清洗流道內(nèi)的污漬。冷運轉(zhuǎn)狀態(tài)的持續(xù)時間較短，一般為幾十秒鐘，轉(zhuǎn)速低，相對安全可靠，對發(fā)動機工作穩(wěn)定性以及對葉片的沖刷影響相對較小，但由于液滴與葉片的沖擊力降低，對清洗液本身的納污能力提出更高的要求。此外，由于在發(fā)動機冷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行，需將發(fā)動機渦輪前溫度下降到一定數(shù)值后方可實施，等待時間長。典型采用冷清洗的發(fā)動機如美制T700系列發(fā)動機。

熱清洗一般是指發(fā)動機在運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，向發(fā)動機噴入清洗液或水來清除流道內(nèi)的污漬。熱清洗由于直接在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行，可顯著縮短空地勤人員等待時間，特別是對艦載直升機，著艦后可直接進行清洗，減少占用甲板時間。且與冷清洗相比，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，利用液滴與葉片的沖擊力可以達到更好的清洗效果，但同時熱清洗會引起短時間發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、溫度變化，影響發(fā)動機工作穩(wěn)定性。如果使用清洗劑，由于清洗劑一般為易燃有機化合物，當噴入的清洗劑過多時，存在瞬時超溫、爆燃等風險。故為降低風險，熱清洗一般都選擇在發(fā)動機地面慢車狀態(tài)進行，且嚴格控制噴入清洗液的流量。典型采用熱清洗的發(fā)動機如俄制TV3-117發(fā)動機。

2.2國內(nèi)外渦軸發(fā)動機熱清洗現(xiàn)狀

2.2.1國外典型渦軸發(fā)動機熱清洗現(xiàn)狀

針對俄制海軍型TV3-117渦軸發(fā)動機進行了實地調(diào)研，并查閱了ARRIUS 2F、PT6B等國外發(fā)動機的清洗資料。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)動機以及ARRIEL系列發(fā)動機，既可以采用冷清洗也可以采用熱清洗進行除鹽清洗。美系的PT6系列發(fā)動機以及T700系列發(fā)動機，均采用冷清洗進行除鹽清洗。俄制的TV3-117發(fā)動機采用熱清洗方式進行除鹽清洗。考慮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國內(nèi)渦軸發(fā)動機熱清洗現(xiàn)狀

根據(jù)已公布的資料，目前除引進的渦軸-8系列發(fā)動機外，其余國產(chǎn)渦軸發(fā)動機（例如渦軸-6、渦軸-9系列）均采用冷清洗進行除鹽清洗。

2.3 小結(jié)

綜上所述，渦軸發(fā)動機因使用環(huán)境特點，都將清洗作為重要的維護手段，不管是冷清洗還是熱清洗，各有優(yōu)缺點，但考慮到艦載渦軸發(fā)動機的維護保障特點，熱清洗可顯著提高除鹽清洗效率，艦載渦軸發(fā)動機更多選擇采用熱清洗。熱清洗因其在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時進行，因安全因素維護人員無法對發(fā)動機動力艙進行操作。且因清洗時轉(zhuǎn)速及溫度相對較高，對發(fā)動機短時間工作穩(wěn)定性影響較大，長時間、高頻次的沖刷，也會對壓氣機葉片（包括流道涂層等）的結(jié)構(gòu)強度及壽命產(chǎn)生較大影響。

3某艦載渦軸發(fā)動機熱清洗初步評估驗證

以某艦載渦軸發(fā)動機（以下簡稱發(fā)動機）為例，以除鹽為目的，開展熱清洗評估論證，選擇清水為熱清洗時的清洗液，因研究周期所限，本文主要是基于已有的試驗及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)可行性以及發(fā)動機短時工作穩(wěn)定性進行了初步評估，并對工作穩(wěn)定性及清洗效果進行試驗驗證分析。

3.1分析評估

3.1.1清洗結(jié)構(gòu)分析

發(fā)動機進氣機匣設(shè)置有專門的清洗噴口和內(nèi)置管路[6]，發(fā)動機安裝至直升機后，直升機清洗管路與發(fā)動機進氣機匣的清洗接頭相連，將清洗液輸送到進氣機匣噴口，噴到壓氣機進口。而直升機動力艙外設(shè)置有清洗接口（如圖1所示），故發(fā)動機熱清洗時，維護人員無需對直升機動力艙進行操作，只需將清洗設(shè)備連接至直升機清洗接頭即可，具備實現(xiàn)熱清洗的硬件條件。

3.1.2發(fā)動機工作穩(wěn)定性評估

熱清洗時需向發(fā)動機進口噴入清水，要求發(fā)動機具備一定的吞水能力。該發(fā)動機按照相關(guān)標準要求完成了吞水量占總進口空氣質(zhì)量流量5%的吞水試驗[7-8]，在地面慢車狀態(tài)吞水時發(fā)動機耗油率下降約9%，燃氣渦輪出口總溫下降約8%，燃氣渦輪轉(zhuǎn)速基本保持不變，停止吞水后，發(fā)動機參數(shù)迅速恢復到吞水前水平，如圖2所示，可見發(fā)動機具備在一定流量下，穩(wěn)定工作的能力。

3.2 試驗驗證

為摸清更大流量熱清洗對發(fā)動機短時工作穩(wěn)定性的影響，同時評估清洗效果，在分析評估基礎(chǔ)上，開展了整機驗證試驗。考慮到整機試驗風險、周期等因素，認為短時間工作穩(wěn)定性和清洗效果驗證是熱清洗的基本要求，試驗周期短，難度相對較小，而長時間高頻次熱清洗對發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度的影響驗證是一個長期的、系統(tǒng)的驗證過程，難度大、試驗周期長。故目前首先開展短時工作穩(wěn)定性驗證及清洗效果驗證。

3.2.1工作穩(wěn)定性驗證

雖然該型發(fā)動機已完成了吞水試驗，具備一定吞水能力，但考慮吞液量大，清洗效果會更好，故在吞水試驗基礎(chǔ)上，將地面慢車狀態(tài)熱清洗噴水量提高至發(fā)動機進氣質(zhì)量流量的6%、7%、8%，試驗結(jié)果顯示，吞水過程中，除發(fā)動機燃氣渦輪出口總溫、轉(zhuǎn)速等參數(shù)有可接受的變化外，其余參數(shù)未見明顯變化，如表4，且清洗結(jié)束后各項參數(shù)迅速恢復。

3.2.2清洗效果驗證

為驗證發(fā)動機熱清洗的清洗效果，采用已驗證的最大流量，開展了三種污染狀況下的驗證試驗：采用20%濃度鹽水浸泡葉片;冷運轉(zhuǎn)吸入5%濃度鹽水;地面慢車吸入5%濃度鹽水。

為了便于對清洗前后含鹽量測定，減少發(fā)動機裝配次數(shù)，對1片壓氣機第四級靜子葉片進行改裝，可在整機狀態(tài)下進行拆卸（如圖3所示）。通過對該片葉片進行沖洗前后含鹽量對比來評估熱清洗的效果，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準[9]。

（1）20%濃度鹽水浸泡葉片后清洗效果。

本項共進行了3組對照試驗，試驗結(jié)果如表5，從表中可以看出平均除鹽率約為20%。

（2）冷運轉(zhuǎn)吸入5%濃度鹽水后熱清洗效果。

本項共進行了3組對照試驗，試驗結(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。

本項因發(fā)動機喘振，只共進行了1組對照試驗。未沖洗時葉片含鹽量為14mg、沖洗后含鹽量為8mg，除鹽率約為43%。

3.3小結(jié)

綜上所述，通過對某艦載渦軸發(fā)動機熱沖洗進行分析評估及試驗驗證，可以看出該型發(fā)動機清洗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本滿足熱清洗的硬件要求，通過整機試驗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)開展大量迭代驗證。通過清洗效果驗證試驗可以看出，采用水進行熱清洗，可以達到除鹽效果，但不同的污染狀況對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)動機使用環(huán)境特點、維護保障特點以及熱清洗發(fā)展現(xiàn)狀等方面，對艦載渦軸發(fā)動機熱清洗現(xiàn)狀進行了研究分析，并以某艦載渦軸發(fā)動機為例從熱清洗對發(fā)動機短時間工作穩(wěn)定性影響以及清洗效果等方面進行了初步評估驗證，積累了經(jīng)驗，后續(xù)可以以本文的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，繼續(xù)開展熱清洗對零組件結(jié)構(gòu)強度、壽命影響等方面的研究工作。

參考文獻

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