通用型清洗设备设计研究

2020-08-01宋志佳吉海云刘元周袁肖民

机械工程师 2020年7期

宋志佳，吉海云，刘元周，袁肖民

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

航空发动机工作环境复杂，不仅经受风吹、日晒、雨淋、温度梯度的剧烈变化，还要经受大气中因现代工业废气、粉尘的排放而产生的大量盐碱气液所带来的机体表面化学腐蚀及电化学腐蚀。工业粉尘、发动机封严装置泄漏的少量滑油被吸入发动机后，便会附着在压气机叶片上，使叶片表面变得粗糙、叶片形状发生改变，从而降低压气机的效率，降低发动机的喘振裕度。

为了延长发动机的装机时间，在一定程度上恢复发动机的性能，发动机清洗技术已经广泛应用于航空领域。郑永靖等[1]指出东方航空公司武汉分公司利用自制发动机清洗车对CFM56-7发动机清洗后EGT裕度恢复将近30℃，对CFM56-3发动机清洗后EGT裕度恢复超过15 ℃。刘运华[2]指出用传统的清洗方法很难清洗掉发动机叶片死角处搪瓷状垢物，需要经过清洗液的浸泡、溶解、稀释、冲刷才能达到更有效的清洗，该方法已经在新疆库尔勒执行任务的飞机上应用多年。杜来林等[3]针对直九型直升机发动机内部的压缩机及涡轮叶片的清洗设计了Z9FDQX型发动机清洗车，该清洗车不仅可以清除灰尘、油垢，使发动机恢复性能并降低故障概率，还可以清除盐碱腐蚀，延长发动机的使用寿命。李本威等[4]针对某型舰载机的特殊进气道结构设计了喷射支架并进行强度计算与振动分析。

目前，大多数研究者主要侧重于航空发动机清洗技术的研究，而对清洗设备（尤其是功能集成的通用化设备）的研究较少。本文设计了一种飞机、发动机通用清洗设备，既能够对不同型号的飞机机身进行冲洗，冲掉机身表面的污渍，又能够对发动机进行清洗，恢复发动机性能。

1 工作原理

该清洗设备由泵提供动力，将清洗用液体从箱内泵出，通过回水管路中的电动调节阀控制回水量，从而调节出水管路的压力进行不同型号飞机、发动机的清洗。管路中设有流量传感器，用于监测清洗液体的流量，确保满足发动机的清洗要求。泵后设置溢流阀，若泵后管路中压力过高，则溢流阀开启，保证泵及管路安全，防止发生危险。冲洗过程结束后，可以使用压缩空气将管路中液体吹出，防止环境温度较低时将管路冻坏。清洗设备工作原理如图1所示，该设备主要由水箱、清洗剂箱、过滤器、泵、调节阀门、液位传感器、压力传感器、流量传感器、软管及清洗喷杆组成。

图1 工作原理图

2 结构设计

清洗设备采用整体单元结构设计，可以利用螺栓固定安装在室内，通过加长输送管路对飞机、发动机进行清洗，也可以通过简单改装安装至车辆上，移动至飞机附近进行清洗工作。清洗设备主要分为设备主体、出液管路及清洗喷杆等3部分。

2.1 设备主体

为了最大限度地减小清洗设备的体积，设备主体采用立体化布局。底座及框架由槽钢焊接而成，既保证了足够的支撑强度，又方便安装。底座上设置接水槽，用于收集设备主体因故障及维修过程泄漏的液体，接水槽边缘设置排液口，用于导出接水槽内液体，在一定程度上保持了设备主体安装空间的干净、整洁。电动机、高压泵安装于接水槽上的安装座上，各种阀门、传感器则设置于电动机、高压泵的正上方，保证了足够的维修空间。水箱及清洗剂箱共用一个箱体，安装于高压泵的斜上方，箱体分为两个区，分别用于装水和清洗剂。水箱及清洗剂箱顶部均设置空滤器，用于喷水过程中空气能够及时地补充至相应的箱体内。考虑到清洗剂的用量较小，加注频率较低，因而清洗剂箱的空滤器除了具有向箱体内补充空气的功能，其安装口还可用于向箱内加注清洗剂。水箱注液口设置过滤器及电磁阀，确保能够远程控制对水箱补充洁净的水用于飞机、发动机的清洗。水箱及清洗剂箱均安装液位计及液位传感器，液位计能够直接在本地显示出箱体内液体高度，而液位传感器则可以将采集的信号直接传输至控制箱从而参与到冲洗站的控制之中。箱体两侧均设置人孔盖，用于清理、清洗水箱及清洗剂箱。

2.2 出液管路

出液管路由钢管及软管组成，液体在钢管内流动过程中压力损失较小，因此清洗设备主体至专用清洗机位间用钢管进行连接，而考虑到清洗操作的便利性，采用DN20橡胶软管将清洗液体输送至飞机、发动机进行清洗工作。

2.3 清洗喷杆

作为通用型清洗设备，除了能够为清洗工作提供充足的压力及清洗用液体外，还要根据不同的飞机、发动机清洗接口提供合适的清洗喷杆。

2.3.1 机身清洗喷杆

机身冲洗主要是利用清洗喷杆喷射出的高速水流将飞机飞行过程中外表面沉积的盐雾、灰尘、油污、氧化物等污染物洗掉，以减少摩擦阻滞、腐蚀等情况。

清洗设备的机身冲洗喷杆主要由不锈钢材质制成，通过快换接头与橡胶软管进行快速连接。考虑到不同机型清洗要求的差异，设计了多种清洗喷嘴供喷杆选择性安装。如某型飞机机身冲洗过程中，既要尽可能将机身表面冲洗干净，又要确保水流冲击不会对机身产生影响，因而喷嘴的设计喷射流量不大于35 L/min，既可以扇形喷射，冲洗掉机身表面的附着灰尘，又可以经过调整后以水柱形式喷射，增加对顽固污渍的喷射力度，增强喷射冲洗效果。

2.3.2 大涵道比涡扇发动机清洗喷杆

大涵道比涡扇发动机的耗油率低、噪声小，被广泛用于大型民用和军用运输机及其他大型亚声速飞机。航空公司一般按照规定的时间、频率进行清洗，但当发动机排气温度与稳态设计值之间裕度减小时，通常需要进行计划外清洗，清洗后可使排气温度降低约20 ℃。

该大涵道比涡扇发动机清洗喷杆主要由钩形喷杆、夹座、快换接头等部分组成，如图2所示。钩形喷杆可沿顺航向9点钟、3点钟位置从发动机外涵流道，沿分流环伸入风扇出口，钩形喷杆出口对准增压级入口，钩形喷杆通过夹座夹紧在短舱内转接环上。钩形喷杆的弯管处安装一段橡胶软管，防止使用过程中磨损发动机分流环。为了确保使用安全，钩形喷杆弯管部分最外沿与风扇叶片的最小距离不小于10 mm。夹座由硬度较低的金属制成，按照发动机内转接环形状进行开槽，安装至发动机内转接环后用螺钉固定。

图2 大涵道比涡扇发动机清洗喷杆

2.3.3 小涵道比涡扇发动机清洗喷杆

小涵道比涡扇发动机的推力大、速度高，通常用于战斗机上。战斗机发动机的工作环境更加复杂，超低空突防的沙尘、近海面飞行的盐雾、岛礁驻扎的湿热无一不对发动机造成严峻考验，而发动机的清洗则能够有效防止发动机叶片腐蚀，并且在一定程度上恢复发动机的性能。

某型小涵道比涡扇发动机在设计之初便考虑到后期的清洗维护工作，因而在进气机匣预置了清洗喷嘴，发动机日常维护清洗过程中只需要将清洗管路连接至喷嘴的接口即可。发动机在恢复性能清洗过程中需要专用的高压压气机清洗喷杆。如图3所示，高压清洗喷杆由喷嘴、喷杆管、垫片、安装螺母、压紧螺母及快换接头组成。清洗过程中，将喷杆沿高压压气机孔探孔插入至发动机内，旋转90°使喷嘴卡紧在发动机内涵孔探孔，此时再将安装螺母拧到外涵孔探孔，最后用压紧螺母将垫片压紧，防止清洗过程中液体沿喷杆流出对飞机造成影响。

图3 小涵道比涡扇发动机清洗喷杆

对于设计过程中未考虑清洗维护的小涵道比发动机，则需要在飞机进气道安装喷射支架进行日常维护清洗工作。

3 电气控制系统设计

电气控制系统以可编程控制器为主控制器，将各个功能旋钮、按钮及指示灯布置于远程控制箱面板，面板上设置显示屏，能够实时显示清洗设备的工作状态。设备出现故障时，控制面板上报警指示灯亮起，同时伴随着蜂鸣器的响起，使操作者能够及时了解故障的发生并作出判断。

4 操作和使用

按照清洗流程向水箱及清洗剂箱加注液体，液体不超过液位计最高控制线。连接电源线，通电检查各个电器元件是否正常工作，对于故障元件应维修或者更换。按照清洗流程选择清洗喷杆，机身冲洗时需要手持喷杆，而发动机清洗则需要打开飞机和发动机上相应的口盖使喷杆与发动机相连。控制面板上选择冲洗模式，发动机进行冷运转，按下控制面板冲洗按钮进行冲洗流程。冲洗结束后，若室外温度较低，则需要利用压缩空气将管路中残余的液体吹出，避免管路结冰冻裂。

当水箱内液体低于液面下限控制值时，注水电磁阀自动开启进行注水，而当液面到达上限控制值时，电磁阀关闭，停止注水。