热态冲洗对某型涡轴发动机影响试验研究

金洪江，蔡百鸣，宋鹏磊，陆慧华

(中国航发常州兰翔机械有限责任公司，江苏 常州 213000)

1 引 言

航空发动机在含盐分粒子的腐蚀性大气环境中工作后，其压气机叶片以及内部流道件上会沉淀腐蚀性的盐分粒子，不仅会导致发动机性能衰减，还会造成零件腐蚀，带来安全隐患。解决此问题最有效的办法是对发动机进行清洗，去除气流通道上的盐分粒子，减轻腐蚀，同时恢复发动机性能。如某型发动机维护手册要求，在高度低于500m的海上飞行后，要求当天最后一次飞行后对发动机进行清洗,以去除气流通道上的盐分粒子。

为了去除进气道上的盐分粒子,目前国内航空发动机基本采用冷态清洗的方式，在发动机冷运转(启动发动机带转)过程中从气流通道喷入清洗液来对内部流道件进行清洗。由于发动机刚停车后，热端部件温度还很高，如果立刻进行发动机清洗，喷入的清洗液对热端部件局部进行大幅降温，可能会使其受热不均而造成损坏；清洗液中的清洗剂也有可能在接触高温叶片后着火，损伤发动机。所以，为确保发动机的安全，在发动机停车熄火后，需要等燃气涡轮后余温下降到一定值后才能进行清洗。高温天气下，等待的时间往往很长，有可能达到2至3个小时，再加上进行冷清洗(包括冷运转喷清洗液、浸泡20min、烘干等)的时间约1h，这对于长期近海执行任务来说，每日进行除盐清洗，维护任务繁重，给使用带来很大不便。

对于除盐清洗，国外多型航空发动机允许采用热态冲洗方式，其在海上飞行后，发动机在地慢状态直接进行热态冲洗，其优点主要是准备工作简单，清洗时间短。

为了提高某型涡轴发动机的外场维修性，缩短发动机清洗时间，选用一台发动机在试车台上开展整机热态冲洗试验，分析研究热态冲洗对发动机的影响，为工程化应用提供技术储备。

2 某型涡轴发动机热态冲洗试验方法

结合某型涡轴发动机地面试车台1∶1寿命考核长期试车，开展热态冲洗试验研究。试车台布局如图1所示，发动机安装在试车台上，与测功器相连。清洗喷嘴通过支架固定在发动机进气流量筒前，清洗设备与清洗喷嘴通过软管连接。当发动机运转时，只要开启清洗设备，就能实现整机热态冲洗。

图1 试车台布局

清洗液：由于发动机热态冲洗的目的主要是去除气流通道内的盐分粒子，水对盐分粒子本身就具有很好的溶解能力，能够起到较好的清洗效果。参考阿赫耶发动机的清洗要求，采用水清洗。另外，水温越高对盐分粒子的溶解性越好，但考虑到方便外场使用，本次热态清洗试验选用常温自来水作为清洗液。

清洗转速：选择在地面慢车转速进行热态冲洗。

清洗液总量：每次清洗采用清洗液7L。

清洗流量：根据试验情况适当增减。

清洗频率：参考外场清洗频率，选择每天(每天约进行10阶段试车)进行一次热态冲洗。

清洗流程：在发动机长试过程，某一阶段工作完成后，发动机在地慢转速稳定2min，等燃气涡轮后温度稳定后，开始进行热态冲洗试验。清洗液按设定的流量从进气道前喷入，清洗过程中观察并记录燃气涡轮转速、燃气涡轮后温度、燃油流量等参数的变化情况。清洗完成后，发动机在地面慢车状态继续工作30s，烘干进气道后停车。

3 热态冲洗影响分析

3.1 燃气涡轮转速下降影响分析

在对发动机进行清洗时，水和空气的质量比越大，清洗效果越好。同样雾化质量下，当流量较小时，通过延长清洗时间并不能达到同样的效果。因此，水和空气的质量比越大越好，但以不导致发动机熄火为前提。

发动机在热态冲洗过程中，燃气涡轮转速会有一定的下降。为保证清洗过程中发动机不熄火，燃气涡轮转速下降值不能太大，参考国外其他发动机清洗要求，规定发动机在热态冲洗过程中燃气涡轮转速下降不能超过10%。

为验证清洗流量对发动机燃气涡轮转速变化的影响，进行不同喷嘴流量的清洗试验，观察燃气涡轮转速变化情况，具体数据如表1所示。

表1 不同喷嘴流量下发动机燃气涡轮转速变化

根据试验数据可以看出，喷嘴流量是发动机转速下降量的直接影响因素。在其他条件保持不变的情况下，喷嘴流量越大，发动机燃气涡轮转速下降越大。当燃气涡轮转速下降超过一定值后，发动机熄火。

3.2 整机性能恢复影响分析

热态冲洗的目的是去除进气道上的盐分粒子，本次台架试验未开展专题试验对除盐效果进行评估，但从本次试验情况来看，热态冲洗还能在一定程度上去除进气道积垢，起到恢复发动机性能的作用。

将本次采用热态冲洗(约10阶段一次,共95次)的发动机与相同型号采用冷态清洗(约150阶段一次，共6次)的发动机台架长试数据进行统计和对比(见图2),发现进行热态冲洗的发动机在整个长试过程中性能基本保持稳定，未出现大幅下降的情况。而未进行热态冲洗的发动机初始性能相当，但整个长试过程中性能降幅较大，除冷清洗后性能出现短暂恢复外，发动机性能总体呈现下降趋势。这说明热态冲洗可在一定程度上去除发动机进气道内的积垢，达到恢复整机性能的效果，使发动机性能保持相对稳定。

图2 热态冲洗和冷态清洗两次试验性能对比

3.3 整机寿命耐久影响分析

热清洗作为海上日常除盐清洗手段，在每日飞行后都会进行，热清洗的频次较高。整个寿命期内，多次的热态冲洗会对高转速的压气机转子叶片造成冲击，可能会造成发动机压气机叶片盘疲劳损伤，对使用寿命造成影响。清洗液随着压气机内空气温度的升高逐渐汽化，汽化后的清洗液对燃烧室及涡轮清洗效果减弱，未汽化的清洗液与热端部件表面接触会造成一定的温度冲击，可能会对热端部件的材料或涂层造成影响。

为分析热态冲洗对发动机整机寿命耐久性的影响，在长试结束后，对发动机进行了分解检查。经目视检查，压气机、涡轮部件转子叶尖无刮磨等现象，转、静子叶片热障涂层完好。对气流通道相关零部件进行无损检查，结果正常。对热端部件4个转子进行计量，经过一个寿命期，叶片的变化量满足一个翻修间隔期使用后的变形量要求，且变形量与冷态清洗的长试发动机相当(见表2)。

表2 转子变形量对比

3.4 整机维修性影响分析

对于长期近海执行任务的发动机，每日需进行除盐清洗，采用冷清洗的方式清洗时间较长(包括冷运转喷清洗液、浸泡20min、发动机启动烘干等，清洗时间约1h)。而采用热态冲洗的方式，可以极大地缩短清洗时间(且不需再次启动烘干)，有效提高发动机外场维修性。长试过程中每次热态清洗时间见表3。

表3 长试过程中每次热态清洗时间

4 结 论

通过开展某型涡轴发动机热态冲洗试验，分析研究清洗对该型发动机的影响，可用于后续改进的工程应用。通过开展流量试验，得到了发动机燃气涡轮转速下降与清洗流量的关系。通过试车考核后的分解检查，验证了热态冲洗满足发动机寿命耐久性的要求。通过性能数据的分析统计，证明了热态冲洗可以更好地保持寿命期内的功率稳定。