摘" 要：航空發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)已成為一種恢復(fù)整機(jī)性能衰減、增加在翼時間和提升壽命等最為經(jīng)濟(jì)、有效的方法。該文從航空發(fā)動機(jī)清洗需求、清洗對發(fā)動機(jī)性能影響等論述污垢附著對壓氣機(jī)及整機(jī)性能、熱效率的影響關(guān)系，以及分析按期清洗對發(fā)動機(jī)性能和效率的改善結(jié)果，證明航空發(fā)動機(jī)清洗的必要性，表明流道清洗技術(shù)應(yīng)用為航空發(fā)動機(jī)使用維護(hù)中不可或缺的程序。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機(jī)；流道清洗；性能恢復(fù)；清洗技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：V263.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）13-0109-04

Abstract： Aero-engine washing technology has become the most economical and effective method to recover the performance degradation of the whole machine， increase the time on the wing and improve the service life. This paper discusses the influence of fouling adhesion on the performance and thermal efficiency of the compressor and the whole machine from the aspects of the cleaning requirements of the aero-engine and the impact of washing on the engine performance， and analyzes the improvement results of the engine performance and efficiency by the scheduled washing， which proves the necessity of the aero-engine cleaning. Finally， the significant benefits brought by the application of aero-engine cleaning technology are discussed， which shows that the application of washing technology is an indispensable schedule in the maintenance of aero-engines.

Keywords： aero-engine; washing; performance recovery; cleaning technique; application

航空發(fā)動機(jī)因運(yùn)營環(huán)境差異性，其流道零部件不可避免地附著各種各樣的污垢，沉積物的附著力與污垢的成分密切相關(guān)，但大致可以分為鹽類與由砂塵、粉塵、昆蟲和油液等組成的油泥污垢2類。污垢對發(fā)動機(jī)性能和壽命影響作用形式差異較大。鹽份主要是通過發(fā)動機(jī)的冷、熱腐蝕影響發(fā)動機(jī)在翼運(yùn)營時間和壽命，而油脂污垢主要因壓氣機(jī)效率衰減而引起發(fā)動機(jī)整機(jī)性能和熱效率下降。為了清除流道件這2類沉積物，通常采用冷清洗和熱清洗2種方式。無論是采用冷清洗還是熱清洗，為了達(dá)到對發(fā)動機(jī)的清洗除污效果，都是在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中實(shí)施的[1]。

航空發(fā)動機(jī)在翼清洗通常是指在不從機(jī)翼上拆下發(fā)動機(jī)的情況下，定期或視情地對發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗或防護(hù)。其目的是通過清洗方法去除附著在進(jìn)氣道、壓氣機(jī)葉片和渦輪葉片等表面上的沉積物，保持流道葉片氣動葉型，保護(hù)葉片免受腐蝕，從而延緩或消除空氣中雜質(zhì)對整機(jī)性能的影響，一定程度恢復(fù)壓氣機(jī)劣化了的性能，保持發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)壽命，同時預(yù)防或排除發(fā)動機(jī)因流道污染導(dǎo)致故障的產(chǎn)生和惡化發(fā)展[2]。

實(shí)踐表明，航空發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)是解決鹽類和油泥污垢2類污垢對航空發(fā)動機(jī)的燃油消耗率、在翼時間、維修間隔期和壽命等直接影響航司運(yùn)營成本最為經(jīng)濟(jì)和有效的手段。根據(jù)航司關(guān)于發(fā)動機(jī)運(yùn)營統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過清洗，發(fā)動機(jī)EGT裕度可恢復(fù)5～15 ℃、可延長約1/3在翼時間、波音737年度節(jié)省燃油約70余t/架，表明了流道清洗技術(shù)應(yīng)用為航空發(fā)動機(jī)使用維護(hù)中不可或缺的程序，具有顯著的應(yīng)用意義。

1" 清洗需求

航空發(fā)動機(jī)性能隨著運(yùn)營時數(shù)的累積持續(xù)表現(xiàn)出下降趨勢，主要包括推力/功率的下降、排氣溫度（EGT，Exhaust Gas Temperature）上升、燃油耗油率增大和零部件壽命減少等特征，對發(fā)動機(jī)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等造成顯著的影響[3]。

引起航空發(fā)動機(jī)整機(jī)性能衰退的原因極其復(fù)雜，主要包含外物損傷撞擊、污垢堆積及同時并發(fā)的腐蝕和侵蝕等方面。外物損傷撞擊通常是指因鳥類、砂礫或冰/雹等從發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣通道進(jìn)入壓氣機(jī)流道，與發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片或壓氣機(jī)葉片等旋轉(zhuǎn)件高速撞擊，很可能會造成發(fā)動機(jī)流道部件的損傷或損毀，導(dǎo)致氣動效率下降，空氣流量增加，或是在高溫條件下外物黏熔融物黏附在熱端流道件上堵塞流道而減小，更為嚴(yán)重時將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)無法正常工作或發(fā)生災(zāi)難性的事故。

通常將直徑小于10 μm的顆粒，如灰塵、沙塵、有機(jī)物顆粒和油類污染物等附著并沉積在葉片和流道靜子件上的現(xiàn)象定義為污垢堆積。發(fā)動機(jī)污垢的堆積會影響葉型及其氣動特性，以及葉片表面的粗糙程度，從而導(dǎo)致葉片的喉道節(jié)流通道減小和氣動攻角的變化，最終使得發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的流量系數(shù)、壓縮效率和增壓比等均降低，發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)向喘振裕度減小的方向移動，進(jìn)而誘發(fā)壓氣機(jī)喘振，其中空氣流量系數(shù)的影響程度最為突出，隨運(yùn)行轉(zhuǎn)速、大氣環(huán)境、馬赫數(shù)和飛行高度而變。

航空發(fā)動機(jī)流道件污垢的堆積同時也會誘發(fā)航空發(fā)動機(jī)的侵蝕和腐蝕。腐蝕與侵蝕的性質(zhì)非常相近，但腐蝕的誘因卻與侵蝕不同，腐蝕是發(fā)動機(jī)零部件與流道空氣中污染物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的后果。鹽類、硫化物和氯化物等與水分相結(jié)合，容易造成壓氣機(jī)等零部件的腐蝕，而含有鈉、釩等元素的金屬或化合物則可誘發(fā)渦輪部件的高溫腐蝕，或加速熱端部件的表面氧化發(fā)展。腐蝕將會導(dǎo)致壓氣機(jī)的葉片表面粗糙度增加、氣動性能下降和葉片的疲勞壽命減少等。此外，鹽霧顆粒也有可能堵塞渦輪葉片的冷卻氣膜孔，使其冷卻效果下降，引發(fā)渦輪葉片燒蝕。目前，發(fā)動機(jī)制造商廣泛采用流道件防護(hù)涂層技術(shù)和流道清洗技術(shù)以降低腐蝕帶來的風(fēng)險。

航空發(fā)動機(jī)清洗技術(shù)是公認(rèn)的解決航空發(fā)動機(jī)葉片積垢、提升壓氣機(jī)氣動效率的重要手段，也是飛機(jī)維修手冊（AMM）中唯一推薦的最為經(jīng)濟(jì)、有效的維護(hù)方法，航空發(fā)動機(jī)清洗已被確定為發(fā)動機(jī)定期維護(hù)的一項(xiàng)基本程序。在翼冷運(yùn)轉(zhuǎn)清洗操作時，清洗一般在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道唇口處安裝好特定的射流清洗架，由發(fā)動機(jī)清洗車/設(shè)備通過連接管路向清洗架提供具有一定壓力的清洗液，清洗液經(jīng)清洗架的噴嘴霧化后，噴向發(fā)動機(jī)流道件，此時，飛機(jī)發(fā)動機(jī)由起發(fā)系統(tǒng)提供冷運(yùn)轉(zhuǎn)動力，使轉(zhuǎn)子件處于一定轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，霧化后的射流液滴與發(fā)動機(jī)流道部件表面的垢質(zhì)相互撞擊作用，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)的在翼清洗，清洗后需起動發(fā)動機(jī)至較低運(yùn)行狀態(tài)吹干發(fā)動內(nèi)部因清洗引入的水分。在翼熱清洗則是在發(fā)動機(jī)地面慢車狀態(tài)下直接進(jìn)行噴液的清洗。

航空發(fā)動機(jī)流道結(jié)垢對壓氣機(jī)效率和整機(jī)熱效率影響較大，圖1顯示了某型燃機(jī)壓氣機(jī)效率和熱效率隨時間變化關(guān)系，如果不進(jìn)行清洗，隨著時間推移，性能衰減的影響越來越明顯，38 d后壓氣機(jī)效率降低約4%，耗熱率增加約7%[4]。

圖2顯示了壓氣機(jī)流道受到污垢性能變化對發(fā)動機(jī)熱力性能的影響情況，從圖中可以看出，壓氣機(jī)壓比越高對發(fā)動機(jī)總體性能影響越顯著，例如當(dāng)壓氣機(jī)性能衰減7%時，壓比為15的發(fā)動機(jī)較壓比為7的發(fā)動機(jī)總熱效率衰減高20%[5]。

根據(jù)CFM56發(fā)動機(jī)清洗前數(shù)據(jù)，EGT裕度隨運(yùn)行時數(shù)的變化曲線。新投入使用的發(fā)動機(jī)經(jīng)過大約3 000 h的運(yùn)營后，如全程未進(jìn)行過流道清洗，其EGT裕度平均損失約20 ℃。

因此，為維持發(fā)動機(jī)性能和增加其經(jīng)濟(jì)性，通過對發(fā)動機(jī)進(jìn)行流道清洗，以顯著地恢復(fù)發(fā)動機(jī)性能變得尤為重要。

2" 清洗對性能的影響

隨著航空發(fā)動機(jī)運(yùn)營時間的累積，壓氣機(jī)性能衰減主要誘發(fā)壓比、流量系數(shù)及效率等參數(shù)的逐漸衰減，必須采用增加供油量等方法來獲得需求范圍的推力或功率，不僅影響了燃油經(jīng)濟(jì)性，同時還會因排氣溫度增加而較少熱端部件的耐久壽命，更為嚴(yán)重的情況，當(dāng)燃?xì)鉁囟冗_(dá)到熱端部件的限制值時，發(fā)動機(jī)無法滿足推力或功率需求，從而減少飛機(jī)的商載能力，對航空公司運(yùn)營的影響是極其致命的。

隨著發(fā)動機(jī)安全性、可靠性和維修性技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，清洗技術(shù)已成為航空發(fā)動機(jī)一種最為重要的維護(hù)手段。航空發(fā)動機(jī)清洗通常是指不從飛機(jī)上拆下發(fā)動機(jī)，定期或視情對發(fā)動機(jī)進(jìn)行流道清洗或防護(hù)，通過清除在各種運(yùn)營環(huán)境下黏附壓氣機(jī)或渦輪葉片等流道件上的沉積物，從而減緩或清除空氣中污垢對發(fā)動機(jī)性能的影響，恢復(fù)壓氣機(jī)的性能，減緩零部件被腐蝕的速率，維持發(fā)動機(jī)可靠性和設(shè)計(jì)壽命，同時預(yù)防或排除發(fā)動機(jī)因結(jié)垢誘發(fā)的問題。例如，某型渦軸發(fā)動機(jī)清洗后功率提升了1.2%～2.6%，耗油率降低2%～3%[6]；此外，根據(jù)GE公司的資料，航空發(fā)動機(jī)經(jīng)過一次清洗，發(fā)動機(jī)EGT裕度平均上升5～11 ℃左右，燃油消耗量下降約0.2個百分點(diǎn)。

通常，航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)的典型特性曲線如圖3所示，在設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行條件下，大多級將在設(shè)計(jì)流量系數(shù)和高等熵效率下運(yùn)行，當(dāng)流量系數(shù)位于特性曲線右側(cè)時，該級負(fù)載較輕，最右側(cè)的點(diǎn)稱為節(jié)流點(diǎn)，特性曲線左側(cè)是發(fā)生氣動失速的區(qū)域（喘振區(qū)域）。當(dāng)壓氣機(jī)結(jié)垢降低第一級壓氣機(jī)的質(zhì)量流量（流量系數(shù)）時，這會影響后一級的性能，即：第一級特性上的工作點(diǎn)向左移動（如圖3中的A點(diǎn)），從而增加壓比，這導(dǎo)致第二級入口處的密度更高，因此，第二級流量系數(shù)將進(jìn)一步降低。這一效應(yīng)通過各級發(fā)展，直到最后出現(xiàn)空氣動力學(xué)失速并觸發(fā)喘振[5]。

圖4顯示了某型燃機(jī)功率輸出隨時間變化關(guān)系曲線，當(dāng)不進(jìn)行清洗，發(fā)動機(jī)的性能將按最下方的曲線逐步衰減，4 000 h功率下降水平約為10%。通過清洗技術(shù)能夠一定程度地恢復(fù)發(fā)動機(jī)的性能，圖中曲線包圍的陰影區(qū)域?yàn)榍逑传@得的功率收益。

航空發(fā)動機(jī)在翼清洗是一項(xiàng)非常重要的操作要求，但在翼清洗并不是解決所有壓氣機(jī)結(jié)垢問題的性能恢復(fù)方法，因?yàn)槊看吻逑春蠖紵o法恢復(fù)全部功率，因此需要定期對發(fā)動機(jī)進(jìn)行返廠清洗（或離線清洗），以恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求的功率級或推力。

3" 清洗技術(shù)應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，航油成本平均占到航空公司主營業(yè)務(wù)成本的41.8%，如空客的A380飛機(jī)百公里的油耗約1 500 L，耗油量非常巨大，航空發(fā)動機(jī)尾氣排放主要包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOX）、碳?xì)浠衔铮℉C）和硫化物（SOX）等成分，其對大氣環(huán)境污染的影響作用不容小覷。當(dāng)發(fā)動機(jī)流道零部件積垢后，發(fā)動機(jī)耗油量會顯著上升，平均每多消耗1 kg航空燃油將增加3.1 kg二氧化碳?xì)怏w的排放，嚴(yán)重威脅地球的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)國航CFM56發(fā)動機(jī)清洗前后總耗油量的對比數(shù)據(jù)，民用渦扇發(fā)動機(jī)通過在翼清洗能夠降低燃油消耗率約0.5%，200臺發(fā)動機(jī)平均每年執(zhí)行1 500架次飛行，按清洗3次/a計(jì)，則整個機(jī)隊(duì)平均節(jié)約航空燃油約5 470 t/a、二氧化碳減排約17 250 t/a，通過清洗獲益約2 000萬/a，清洗技術(shù)應(yīng)用的意義非常突出。

航空發(fā)動機(jī)性能惡化后，在一個運(yùn)行階段（如每300 h）可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的推力或功率輸出衰減約5%～10%。國際燃?xì)廨啓C(jī)界的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)表明，對不同運(yùn)營環(huán)境的發(fā)動機(jī)實(shí)施定期或視情的清洗，以將發(fā)動機(jī)的性能衰減得以補(bǔ)償或延緩。規(guī)范地按程序進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗的應(yīng)用意義如下[7]。

1）降低使用維護(hù)費(fèi)用：值得關(guān)注的是，規(guī)范性地進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗，從總體上說將能有效降低結(jié)垢帶來的維修費(fèi)用的相對增加；且在使用經(jīng)濟(jì)性方面帶來一定程度的補(bǔ)償。如不進(jìn)行發(fā)動機(jī)清洗可能帶來零件腐蝕、性能衰減和壽命減少等現(xiàn)象，即增加了維修所需的人力和資源消耗費(fèi)用等。

2）減少燃油消耗量：通過按期的發(fā)動機(jī)清洗，能夠恢復(fù)壓氣機(jī)等結(jié)垢零件的設(shè)計(jì)氣動性能，從而減少了燃油消耗量，降低燃料消耗帶來的額外費(fèi)用成本。

3）整機(jī)性能保持：定期清洗可使發(fā)動機(jī)劣化了的性能得以恢復(fù)或減緩衰減，增加運(yùn)行時間，同時補(bǔ)償了因零部件氣動性能惡化而損失性能，以及由次帶來的功率輸出降低反映的經(jīng)濟(jì)效益問題。

4）增加在翼時間：據(jù)統(tǒng)計(jì)報道，適當(dāng)?shù)那逑闯绦?，可延長航空發(fā)動機(jī)約1/3的在翼時間，以及大幅節(jié)省燃油消耗量。

如某型渦槳發(fā)動機(jī)進(jìn)行清洗試驗(yàn)的前后分別錄取了發(fā)動機(jī)在0.4額定、0.6額定、0.7額定、0.85額定、額定和起飛6個工作狀態(tài)下的性能參數(shù)，并將數(shù)據(jù)換算成海平面、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的軸功率和燃油消耗量，見表1[8]。數(shù)據(jù)表明，發(fā)動機(jī)在起飛狀態(tài)，通過清洗，軸功率提升了3.3%、EGT降低了18 ℃。

航空發(fā)動機(jī)清洗收益與不同污染程度、清洗頻次、維護(hù)效率之間的關(guān)系[3]，污染程度越嚴(yán)重，清洗獲得的收益增幅越大。針對輕微污染發(fā)動機(jī)，如果過多頻次的清洗將會因清洗過程成本導(dǎo)致綜合負(fù)收益。

據(jù)普惠（Pratt amp; Whitney）公司聲稱，西部航空公司（West Jet airlines）運(yùn)營的波音737飛機(jī)的發(fā)動機(jī)通過清洗能夠使EGT裕度增加10 ℃、每次飛行降低1.5%的燃油消耗量。按飛機(jī)每天飛行8 h、一個月飛行30 d、一年飛行10個月，每次飛行燃油消耗量按2 000 kg/h計(jì)，可評估出每架737飛機(jī)年度節(jié)省燃油為8×30×10×2 000×1.5% kg=72 000 kg，燃油價格按8 000元/t算（具體按不同地區(qū)價格為準(zhǔn)），一架波音737飛機(jī)可節(jié)燃油成本約58萬元/a。

4" 結(jié)論

通過對航空發(fā)動機(jī)流道零部件的清洗實(shí)施，一般情況下，EGT裕度可恢復(fù)5～15 ℃，個別可到達(dá)15 ℃以上，減少約1.5%的燃油消耗，能夠保持發(fā)動機(jī)的壽命，延長約1/3的發(fā)動機(jī)在翼時間，節(jié)省燃油消耗量。通過清洗技術(shù)還能有效降低碳氧化物和氮氧化物等排放量，可取得顯著的積極應(yīng)用效果。本文研究表明流道清洗技術(shù)應(yīng)用為航空發(fā)動機(jī)使用維護(hù)中不可或缺的程序，具有顯著的應(yīng)用意義。

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