■ 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)動機在使用過程中時常會出現(xiàn)積炭現(xiàn)象，導致燃燒不充分，同時也會改變進排氣流通面積，影響發(fā)動機性能?，F(xiàn)行積炭清洗工藝存在通用性差、經(jīng)濟性低及損傷零件等缺點，嚴重影響了航空發(fā)動機修理和試驗的質量。

航空發(fā)動機積炭清洗大多以清洗劑泡洗、高溫燒結、超聲波清洗和手工打磨技術為主。清洗劑泡洗是利用化學藥劑浸泡積炭部件，通過化學反應使得積炭脫落，該方法主要針對葉片等小零件；高溫燒結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?，以上方法存在功能單一、設備昂貴能耗高、清洗耗時長和清潔度不高等缺點。而在汽車、核工業(yè)及軌道交通領域廣泛應用的干冰射流清洗技術去除污染物，通用性強且具有良好的經(jīng)濟效益。創(chuàng)新團隊從理論、仿真與試驗等方面探究了干冰清洗作用機理，開發(fā)出適用于航空發(fā)動機零部件積炭清洗的工藝方法，并將該技術應用至發(fā)動機的修理中。

干冰射流清洗技術機理

干冰射流清洗技術也稱為干冰冷噴射清洗技術，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過程，以液態(tài)二氧化碳溶解作用為主的化學過程，以熱沖擊作用、升華作用為主的熱力學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)生的動量轉移，克服了污染物與零件表面的黏結力；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污垢的最好溶劑，使得有機污垢更加容易溶解。

熱沖擊作用

當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氣體，短時間內空間體積會瞬間擴大898倍，細碎的干冰微粒進入污染物間隙后，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。

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、空氣壓縮機和儲氣罐等，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動進行仿真分析，基于計算流體動力學進行數(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)生相應影響。使用Fluent軟件模擬干冰顆粒運動軌跡，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、試驗結果分析及應用

仿真結果分析

利用Fluent分析軟件對干冰微粒的運動情況進行模擬仿真。首先待氣相流場穩(wěn)定，然后設置干冰微粒的相關參數(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，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范圍內變化。由干冰粒子的運動軌跡可知拉瓦爾噴嘴射流發(fā)散，當工作距離在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。

試驗結果分析

根據(jù)仿真計算的結果，干冰射流清洗積炭試驗過程中的噴射壓力設為0.7MPa，噴射角度為60°，噴射距離為10cm。結果顯示，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95%以上，對比清洗進程圖，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)新團隊對常見的航空發(fā)動機材料，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行了分析，以驗證該技術的適用性。

從干冰射流清洗技術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，表面質量得到改善；從粗糙度分析結果來看，干冰清洗技術在去除積炭的同時，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)新團隊對樣件進行金相檢查，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，干冰射流清洗技術積炭清除效果好，且對材料無影響。創(chuàng)新團隊隨后對發(fā)動機零部件進行了干冰清洗積炭實際應用驗證，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

結束語

干冰射流清洗技術具有干冰微粒沖擊力高等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)單件或裝配狀態(tài)下組件復雜空間的積炭清洗，通用性強，在清洗航空發(fā)動機零組件積炭具有良好的應用前景。相對于高溫燒結與清洗劑，該技術大大降低了生產(chǎn)耗能，同時極大地縮短了零部件積炭清洗周期，節(jié)省了排故周轉時間，提升了生產(chǎn)效率。