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舰载涡轴发动机热清洗初步研究及验证

范文

鄢骏段辉郑益民

摘要：对于长期在海洋环境中使用的舰载涡轴发动机，发动机清洗直接影响其使用寿命。随着国产舰载直升机与日俱增，对涡轴发动机的舰上清洗维护提出了更高要求。本文对舰载涡轴发动机使用环境特点、热清洗国内外发展现状进行了分析介绍，并结合试验验证情况，对某型舰载涡轴发动机开展热清洗进行了初步评估验证，为后续研究工作打下基础。

关键词：舰载涡轴发动机;热清洗;研究验证

中图分类号：V263.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）10-0132-03

0 引言

发动机清洗是现代航空发动机维护工作的重要组成部分，是发动机为适应不同使用环境，为保持或恢复发动机性能而采取的重要的主动防护措施，特别是对于舰载涡轴发动机，由于其长期处于海洋环境，大量盐结晶物极易引起发动机叶片腐蚀，清洗工作的好坏直接影响发动机的使用寿命。本文对舰载涡轴发动机使用环境特点、热清洗国内外发展现状进行了分析介绍，并结合试验验证情况，对某型舰载涡轴发动机热清洗情况进行了初步评估验证，为后续工作打下基础。

1 使用环境特点

1.1大气环境特点

涡轴发动机因其低空使用特点，其在盐雾环境、污染环境、沙尘环境等不良大气环境（见表1）中工作时间较长，发动机进气道、压气机叶片等流道零件上的往往会有不同的附着物，主要包括盐渍、油脂、工业粉尘等。附着物一方面会产生腐蚀，另一方面会使叶片等零件表面粗糙、几何形状发生改变，导致发动机性能恶化，严重影响发动机使用。故发动机往往要通过清洗来清除相关附着物，恢复发动机性能。

舰载直升机任务区域主要在临海海军基地及其临近海域，也会随舰出海执行任务，污染及砂尘天气较少，主要为盐雾环境，发动机主要是受到盐雾腐蚀，清洗的目的主要是除盐。

1.2维护保障特点

舰载涡轴发动机维护与陆军型相比，存在一些特殊性，舰船甲板空间有限，要求维护设备尽可能小且通用性强，清洗系统尽可能与发动机融合设计。由于舰载涡轴发动机长期在盐雾环境下使用，为清除盐分避免腐蚀，造成外场清洗频次相当高，基本每日飞行结束后都会进行清洗。此外，因甲板空间有限，轮换率很高，要求直升机在尽可能短的时间内完成日常维护工作，从而发动机清洗时间长的问题不断凸显，如飞行后对发动机进行冷清洗，由于温度限制（一般燃气涡轮出口温度需低于70℃～100℃），空、地勤人员需等待大约1h～2h，需长时间占用甲板，严重影响出勤率。

2 发动机清洗发展概况

2.1 发动机清洗的种类及定义

如上所述，因发动机使用的环境不同，其流叶片附着物各种各样，附着力也不尽相同，但大致可以分为盐分类和由砂尘、工业粉尘、昆虫、油类等组成的油脂污垢两类。它们对发动机影响作用形式有差异。盐分主要通过发动机冷、热腐蚀影响发动机寿命。而油脂污垢主要通过降低压气机效率影响发动机性能[2-5]。为清除这两大类附着物，一般采用两种清洗方式：冷清洗和热清洗。

冷清洗一般是指发动机在冷运转状态，向发动机喷入清洗液或水清洗流道内的污渍。冷运转状态的持续时间较短，一般为几十秒钟，转速低，相对安全可靠，对发动机工作稳定性以及对叶片的冲刷影响相对较小，但由于液滴与叶片的冲击力降低，对清洗液本身的纳污能力提出更高的要求。此外，由于在发动机冷运转状态下进行，需将发动机涡轮前温度下降到一定数值后方可实施，等待时间长。典型采用冷清洗的发动机如美制T700系列发动机。

热清洗一般是指发动机在运转状态时，向发动机喷入清洗液或水来清除流道內的污渍。热清洗由于直接在运转状态下进行，可显著缩短空地勤人员等待时间，特别是对舰载直升机，着舰后可直接进行清洗，减少占用甲板时间。且与冷清洗相比，发动机转速较高，利用液滴与叶片的冲击力可以达到更好的清洗效果，但同时热清洗会引起短时间发动机的转速、温度变化，影响发动机工作稳定性。如果使用清洗剂，由于清洗剂一般为易燃有机化合物，当喷入的清洗剂过多时，存在瞬时超温、爆燃等风险。故为降低风险，热清洗一般都选择在发动机地面慢车状态进行，且严格控制喷入清洗液的流量。典型采用热清洗的发动机如俄制TV3-117发动机。

2.2国内外涡轴发动机热清洗现状

2.2.1国外典型涡轴发动机热清洗现状

针对俄制海军型TV3-117涡轴发动机进行了实地调研，并查阅了ARRIUS 2F、PT6B等国外发动机的清洗资料。主要情况如表2、表3。

由表中可以看出，法产的ARRIUS 2F、MAKILA 2A发动机以及ARRIEL系列发动机，既可以采用冷清洗也可以采用热清洗进行除盐清洗。美系的PT6系列发动机以及T700系列发动机，均采用冷清洗进行除盐清洗。俄制的TV3-117发动机采用热清洗方式进行除盐清洗。考虑到水可以有效地溶解盐分，故所有除盐清洗均以清水为主要清洗液。

2.2.2国内涡轴发动机热清洗现状

根据已公布的资料，目前除引进的涡轴-8系列发动机外，其余国产涡轴发动机（例如涡轴-6、涡轴-9系列）均采用冷清洗进行除盐清洗。

2.3 小结

综上所述，涡轴发动机因使用环境特点，都将清洗作为重要的维护手段，不管是冷清洗还是热清洗，各有优缺点，但考虑到舰载涡轴发动机的维护保障特点，热清洗可显著提高除盐清洗效率，舰载涡轴发动机更多选择采用热清洗。热清洗因其在发动机运转时进行，因安全因素维护人员无法对发动机动力舱进行操作。且因清洗时转速及温度相对较高，对发动机短时间工作稳定性影响较大，长时间、高频次的冲刷，也会对压气机叶片（包括流道涂层等）的结构强度及寿命产生较大影响。

3某舰载涡轴发动机热清洗初步评估验证

以某舰载涡轴发动机（以下简称发动机）为例，以除盐为目的，开展热清洗评估论证，选择清水为热清洗时的清洗液，因研究周期所限，本文主要是基于已有的试验及结构数据从结构可行性以及发动机短时工作稳定性进行了初步评估，并对工作稳定性及清洗效果进行试验验证分析。

3.1分析评估

3.1.1清洗结构分析

发动机进气机匣设置有专门的清洗喷口和内置管路[6]，发动机安装至直升机后，直升机清洗管路与发动机进气机匣的清洗接头相连，将清洗液输送到进气机匣喷口，喷到压气机进口。而直升机动力舱外设置有清洗接口（如图1所示），故发动机热清洗时，维护人员无需对直升机动力舱进行操作，只需将清洗设备连接至直升机清洗接头即可，具备实现热清洗的硬件条件。

3.1.2发动机工作稳定性评估

热清洗时需向发动机进口喷入清水，要求发动机具备一定的吞水能力。该发动机按照相关标准要求完成了吞水量占总进口空气质量流量5%的吞水试验[7-8]，在地面慢车状态吞水时发动机耗油率下降约9%，燃气涡轮出口总温下降约8%，燃气涡轮转速基本保持不变，停止吞水后，发动机参数迅速恢复到吞水前水平，如图2所示，可见发动机具备在一定流量下，稳定工作的能力。

3.2 试验验证

为摸清更大流量热清洗对发动机短时工作稳定性的影响，同时评估清洗效果，在分析评估基础上，开展了整机验证试验。考虑到整机试验风险、周期等因素，认为短时间工作稳定性和清洗效果驗证是热清洗的基本要求，试验周期短，难度相对较小，而长时间高频次热清洗对发动机结构强度的影响验证是一个长期的、系统的验证过程，难度大、试验周期长。故目前首先开展短时工作稳定性验证及清洗效果验证。

3.2.1工作稳定性验证

虽然该型发动机已完成了吞水试验，具备一定吞水能力，但考虑吞液量大，清洗效果会更好，故在吞水试验基础上，将地面慢车状态热清洗喷水量提高至发动机进气质量流量的6%、7%、8%，试验结果显示，吞水过程中，除发动机燃气涡轮出口总温、转速等参数有可接受的变化外，其余参数未见明显变化，如表4，且清洗结束后各项参数迅速恢复。

3.2.2清洗效果验证

为验证发动机热清洗的清洗效果，采用已验证的最大流量，开展了三种污染状况下的验证试验：采用20%浓度盐水浸泡叶片;冷运转吸入5%浓度盐水;地面慢车吸入5%浓度盐水。

为了便于对清洗前后含盐量测定，减少发动机装配次数，对1片压气机第四级静子叶片进行改装，可在整机状态下进行拆卸（如图3所示）。通过对该片叶片进行冲洗前后含盐量对比来评估热清洗的效果，并以清洗前后叶片含盐量的差值与清洗前含盐量的比值作为衡量清洗效果的标准[9]。

（1）20%浓度盐水浸泡叶片后清洗效果。

本项共进行了3组对照试验，试验结果如表5，从表中可以看出平均除盐率约为20%。

（2）冷运转吸入5%浓度盐水后热清洗效果。

本项共进行了3组对照试验，试验结果如表6，从表中可以看出平均除盐效率约为60%。

（3）地面慢车吸入5%浓度盐水后热清洗效果。

本项因发动机喘振，只共进行了1组对照试验。未冲洗时叶片含盐量为14mg、冲洗后含盐量为8mg，除盐率约为43%。

3.3小结

综上所述，通过对某舰载涡轴发动机热冲洗进行分析评估及试验验证，可以看出该型发动机清洗系统结构基本满足热清洗的硬件要求，通过整机试验拓宽了热清洗吞水量的允许范围，但合适的清洗液流量参数确定还需继续开展大量迭代验证。通过清洗效果验证试验可以看出，采用水进行热清洗，可以达到除盐效果，但不同的污染状况对热清洗效率影响较大。

4 结论与展望

本文从舰载涡轴发动机使用环境特点、维护保障特点以及热清洗发展现状等方面，对舰载涡轴发动机热清洗现状进行了研究分析，并以某舰载涡轴发动机为例从热清洗对发动机短时间工作稳定性影响以及清洗效果等方面进行了初步评估验证，积累了经验，后续可以以本文的研究结果为基础，继续开展热清洗对零组件结构强度、寿命影响等方面的研究工作。

参考文献

[1] 中国南方航空工业（集团）有限公司.某型涡轴发动机维护手册[S].2008.

[2] 杨艳美，贺剑，何可，等.某型涡轴发动机热清洗试验研究[J].南华动力，2019（2）：332-333.

[3] 于海滨，贾明明.航空发动机清洗技术研究[J].航空设备与技术，2016（11）：107.

[4] 袁长波，苗禾状，黄兴.军用直升机涡轴发动机清洗技术[J].航空维修与工程，2010（5）：36-38.

[5] 袁长波，苗禾状，崔建勇.某型涡轴发动机恢复性能清洗分析[J].硅谷，2010（18）：145-146.

[6] 中国航发湖南动力机械研究所.某型发动机安装手册[S].2018.

[7] 宋敏娜，陈国智，张伟，等.某型航空涡轴发动机吞水试验分析[J].南华动力，2015（2）：9-10.

[8] 张鑫，杨芳，杨洋，等.某型涡轴发动机吞水对整机性能影响分析[J].南华动力，2015（4）：3-4.

[9] GJB2841-1997，燃气涡轮发动机燃气通道清洗剂规范[S].

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