敖良忠，易相兵，姜 祺

(1.中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307；2.中国民用航空飞行学院飞行技术学院，四川 广汉 618307)

0 引言

近年来，我国航空事业迅速发展，航空发动机作为飞机的重要部件，在地面和空中长期工作过程中，会吸入大量污染物，这些污染物会积累在压气机的叶片表面尤其是叶根轮毂壁面和叶顶机匣壁面区域，使发动机气流场壁面厚度和粗糙度增加，导致进气量减少、气动流动损失变大和气流分离等，严重时会发生超温和喘振故障，危及飞行安全。如果清洗不及时，会造成压气机效率降低、喘振裕度下降、EGT裕度下降、发动机性能恶化和燃油消耗率升高等问题。发动机性能恶化，将直接影响发动机运行的可靠性[1-5]。因此，为了延长发动机在翼使用时间，必须进行在翼清洗。

目前，主要的清洗方法是针对在翼的航空发动机进行水洗。即在发动机干冷转(仅由起动机带动，不供油，不点火)时，用一种发动机清洁剂溶液清洁叶片上的积垢[6]。由于发动机干冷转持续时间较短，一般为几十秒，所以对清洁剂的要求较高。这种清洗方法效果差，效率低，而且清洗剂溶液对环境以及发动机滑油系统污染大，温度低的情况下不能进行清洗，准备时间和清洗时间较长，清洗过后发动机中还有残留物，需要增加后期的维护工作[7]。

干冰清洁是通过压缩空气将干冰颗粒加速到非常高的速度，并将其喷到待清洁物体的表面，去除污垢[8]。干冰清洗属于干式清洗，没有二次污染物，对环境无污染，对清洗对象无损伤，已广泛应用于电力行业、电子行业和汽车行业等。干冰清洗最先由美国海军应用于清洗油脂，清洗效果良好。Krieg[9]详细研究了干冰与固体表面接触的力学、热和相变效应，考虑传统的干冰清洗系统，主要目标是对除垢的评估；Liu等[10]利用激光多普勒测量(LDM)来确定所有研究喷嘴的粒径,发现颗粒尺寸随着射流速度的增加而减小；Redeker[11]研究了干冰与各种沥青的相互作用，并将部分工作集中在基材和涂层的侵蚀上；Stratford[12]综述了常规干冰爆破，强调了干冰喷射实验研究中最重要的挑战是变化的颗粒特征。国内学者也相继开展干冰清洗的相关研究，段学明等[13]对干冰制备机以及干冰清洗设备进行研究。但是目前尚未见干冰清洗技术在航空发动机领域上的报道。本文通过对人工涂污叶片的干冰清洗，得到了最佳的干冰清洗工艺。研究结果可为干冰清洗技术在航空发动机清洗中的应用提供依据。

1 清洗原理

干冰清洗时利用干冰清洗机喷出的干冰颗粒清除污垢，干冰除污的原理包括低温剥落作用、撞击作用和“微爆炸”作用[14-15]。-78.6 ℃的干冰在碰撞后与污垢迅速发生能量交换，使污垢层的温度下降，污垢因与被清洗表面在低温下的膨胀系数不一样会产生收缩和开裂，使污垢从清洁过的表面剥落[16]。压缩空气加速后，喷出的干冰颗粒具有较大的动能，干冰颗粒撞击污垢后动能减小，损失的动能将对污垢产生冲击作用，干冰清洗时损失的动能ΔE为

(1)

m为单位干冰颗粒的质量；v1为干冰颗粒冲击污垢前的速度；v2为干冰颗粒冲击污垢后的速度。

干冰颗粒与污垢撞击后会马上升华为气体，体积急剧膨胀产生“微爆炸”将污垢清除[17-19]。干冰升华后体积膨胀系数C为

(2)

ρ1为干冰密度，ρ1=1 572 kg/m3；ρ2为二氧化碳气体的密度，ρ2=1.749 kg/m3。可计算出C=899，干冰升华后体积膨胀899倍。

2 干冰清洗测试

搭建某型航空发动机压气机第三级叶片实验平台，该实验平台驱动模块采用以数字信号处理器(DSP)为控制核心的伺服驱动器来控制。如图1所示，干冰清洗系统由干冰清洗机、空气压缩机、干冰储存箱、发动机压气机第三级叶片实验平台、伺服驱动器和开关控制器组成。

图1 干冰清洗结构原理

为了模拟具有较低附着力类型的污染，使用聚四氟乙烯喷雾剂(PTFE)，这种喷剂很容易使用，涂层几乎均匀。当压气机中一定数量的叶片被污染时，对每个被污染的叶片进行拍照，以记录污染状态，干冰清洗后再对叶片进行拍照记录，以便于查看干冰清洗后的效果。

试验设置干冰清洗的距离为150 mm，清洗时间为30 s，使用干冰颗粒直径为3 mm，干冰颗粒的高度范围为3～8 mm。给出了一组在干冰清洗过程前后使用聚四氟乙烯喷雾的人为污染叶片和清洗后叶片的典型照片，结果如图2所示。叶片叶盆部分有明显PTFE脱落的现象，干冰对叶片压力侧有较强的清洗作用，表明该干冰清洗系统能够去除压气机叶片上附着的污染物，效果明显，可用于后续干冰清洗参数研究。

图2 喷涂PTFE叶片清洗效果对比

3 干冰清洗试验

3.1 试验方法

由于干冰清洗影响因素众多，只改变试验考察参数，其他不变[20]。采用人工涂污方法模拟不同积垢的压气机叶片，如图3在不同参数下进行干冰清洗积垢试验，研究干冰质量流量、喷射角度和叶片转速对干冰清洗效果的影响，具体步骤如下：

图3 干冰清洗试验

a.对未涂污的叶片进行拍照，以备对比使用。

b.按照表1所列的成分和配重分别配置I型和II型人造油污，搅拌15 min，将各组分混匀。

表1 人造油污组成

c.用试剂级无水乙醇或丙酮清洗，热风吹干，冷却至室温，用电子天平称量，精确至0.001 g。然后将I型和II型人工油污均匀涂于2组3片叶片上，用热风吹干，冷却至室温，准确称取0.001 g。

d.首先打开空压机预热，直到有稳定的压缩气流，加入干冰在清洗机中。

e.将发动机压气机转速分别调至需要测量的转速范围内，开启干冰清洗机，每组试验3次。

f.将试验后的叶片从实验台上取下，烘干因干冰清洗后的水分，称重精确至0.001 g。

3.2 清洗效率

通过洗掉的油污质量与涂上的总质量的比值，计算清洗效率η，数值以百分数表示，公式为

(3)

η为清洗效率，以百分数表示；m0为带油污的叶片清洗前的质量；m1为带油污的叶片清洗后的质量；m2为未刷油污的叶片质量，取3个试验的平均值作为试验结果。

3.3 清洗效果

清洗过程中，干冰与污垢接触换热，使污垢温度下降，变脆。污垢中油脂也会冷凝，在“微爆”和高速气流的作用下，与污垢层一起剥落[21]。升华的干冰气体密度比空气大会下沉，防止污垢飞扬。

叶片被I型和II型人造油污涂污后的状态如图4所示。通过对比不同状态下的叶片的重量，从而得出干冰清洗效果最好的最佳条件。

图4 叶片清洗效果对比

4 试验结果与分析

通过改变干冰的质量流量、清洗角度和实验台发动机压气机的转速，分别对人工模拟污染的发动机压气机叶片进行干冰清洗。试验发现，干冰清洗可以较明显地清洗掉叶片表面的油污，通过电子天平秤的称重，可以得到干冰清洗掉的油污重量。

4.1 干冰质量流量的影响分析

干冰质量流量直接决定了和被洗发动机压气机叶片表面的碰撞数量，从而影响发动机压气机叶片的清洗效果。选用3.0～6.0 kg/min范围内的不同干冰质量流量对发动机压气机叶片进行清洗，清洗角度为90°，压气机转速为2 500 r/min。试验结果如图5所示。随着干冰的质量流量的增加，单位时间内与压气机叶片碰撞的干冰颗粒数量也增加，从而清洗掉更多的油污，清洗效率更高，清洗效果更好。当干冰的质量流量达到6.0 kg/min时，清洗效率最高，所以6.0 kg/min的质量流量是最佳的质量参数。在实际试验中，因为干冰的表面比较粗糙，如果继续增加干冰的质量流量，会造成干冰清洗机进料口的堵塞，无法进行试验。

图5 不同质量流量的清洗效果

4.2 干冰清洗角度的影响分析

在发动机压气机叶片干冰清洗试验过程中，干冰清洗角度直接决定了干冰颗粒和污垢层碰撞过程中的能量转移，从而影响干冰的升华过程。在压气机中，气流的绝对速度c与气流的相对速度w以及叶轮的圆周速度u构成一个封闭的速度矢量三角形，如图6所示，3个速度向量之间的关系为

图6 速度矢量三角形

c=w+u

(4)

不同的清洗角度使得气流的绝对速度c方向不同，在叶轮的作用下，最终气流的相对速度w方向也会发生改变，从而使得干冰颗粒对压气机叶片撞击的分量不同，选用30°～90°内不同的清洗角度对压气机叶片进行清洗，干冰质量流量6.0 kg/min，压气机转速2 500 r/min。试验结果如图7所示，随着干冰清洗角度从30°增大到90°，清洗效果越来越好。干冰清洗角度为90°时，清洗效率最高，清洗效果最好。干冰清洗角度小时，由速度矢量三角形得出，干冰颗粒对压气机的撞击分量较小，清洗效果不理想。

图7 不同清洗角度清洗效果

4.3 压气机转速的影响分析

干冰颗粒随着气流高速运动到旋转的压气机叶片表面发生撞击，撞击会产生更多的干冰小颗粒，压气机转速的大小决定了干冰破碎的程度，清洗过程中干冰升华，实现动能与热能的转换。试验选用1 000～2 500 r/min范围内的压气机叶片转速，质量流量6.0 kg/min，清洗角度为90°，结果如图8所示。

图8 不同压气机转速的清洗效果

由图8可知,随着压气机转速的增加，清洗效率越来越高。当转速在2 000～2 500 r/min时，干冰颗粒撞击旋转的压气机叶片，会产生更多的小的干冰颗粒，清洗效率上升的比较快，在2 500 r/min时达到最佳的转速，清洗效果最好。

5 结束语

根据干冰清洗的原理，搭建出干冰清洗某型航空发动机压气机叶片的实验台以及干冰清洗系统，通过人工涂污的方式，可模拟叶片的真实污染情况。试验表明，该干冰清洗可以有效去除附着在叶片上的污染物，特别是叶片压力侧的污垢，压气机叶片进行干冰清洗最优的参数为干冰质量流量6.0 kg/min，清洗角度为90°，转速2 500 r/min。