壓氣機葉片附著物分析及清洗實驗研究

蔣永健, 劉金豆, 張斯睿, 張小華, 李寶慶, 于錦祿

(1.陸軍航空兵學院某研究所, 北京 101121; 2.湖南大學 化學化工學院, 湖南 長沙 410082;3.湖南迪清科技有限公司, 湖南 長沙 410006; 4.空軍工程大學 航空工程學院, 陜西 西安 710038)

飛機在執行飛行任務時的工作環境復雜,而直升機主要為低空飛行,飛行環境更為惡劣。直升機渦軸發動機在工作時會吸入大量空氣。大量的水汽、鹽霧、油煙、霧霾、沙塵等物質隨著氣流進入發動機,粘附在壓氣機葉片等相關部位[1]。這些外來物質長期在高溫環境中,會形成膠質、積碳、黏土、鹽灰等成分復雜的污染物[2],不僅影響發動機性能,甚至還會對零部件造成腐蝕[3-4]。Diakunchak等[5-6]研究表明,壓氣機的性能退化主要由污染物附著引起,污染物粘附在壓氣機內可導致壓氣機進氣量和效率分別下降約5%和2.5%,功率輸出下降10%。Meherhomji等[7]研究表明,在一定濃度的鹽霧環境中,壓氣機零部件的抗磨損強度大約降低50%～60%。

對壓氣機進行周期性清洗可以有效清除葉片等部件沉積的附著物,恢復發動機性能,延緩部件腐蝕[8-12]。Mishra[13]對沿海環境下的壓氣機結垢和腐蝕問題進行了研究,結果表明結垢和腐蝕導致發動機性能劣化,恢復清洗或者脫鹽清洗可以有效解決相關問題。Igie等[14]量化分析發動機參數對壓氣機清洗的影響,對4個GT發動機運行約3.5年,51次離線清洗和1 184次在線清洗后的發動機性能參數進行分析,結果表明壓氣機清洗可以增加功率輸出。壓氣機清洗一般采用去離子水和專用的清洗劑作為清洗介質,Brun等[15]通過實驗評價對比分析了去離子水和商用清洗劑清洗的有效性,結果表明效果提升大多發生在使用清洗劑以后。

在不同環境下執行飛行任務的飛機,壓氣機葉片的附著物類型不同,可以選擇針對性的清洗介質。單純執行海上飛行任務的飛機可以直接使用去離子水進行清洗,在霧霾或粉塵污染嚴重地區執行任務的飛機則需使用清洗劑進行清洗。我國國土廣闊,直升機的服役環境復雜,對主要服役環境下的壓氣機附著物特征進行分析并研究針對性的清洗方法非常必要。

為提高清洗效果,Tarabrin[16]研究了壓氣機附著物的成分來源,利用數學方法建立壓氣機油污分布模型,并提出了針對性的清洗方法。另外,壓氣機附著物的分析結果可以為人工模擬壓氣機積垢提供參考。Brun等[15]分析了壓氣機附著物的主要元素并對油污成分進行推測,并模擬人工油污進行壓氣機清洗效果的試驗評價。然而,相關文獻對于壓氣機附著物的性質特點、組成以及形成因素等的研究還存在不足。為提高壓氣機清洗的有效性,本文采用化學分析方法對壓氣機附著物的性質、組分等進行分析研究。為盡量避免環境影響,保證清洗劑的一般適應性,本文選擇主要在內陸地區飛行并完成沿海訓練后進行大修的發動機壓氣機葉片進行附著物取樣。針對采集的附著物樣本,采用SEM(scanning electron microscopy)、EDS(energy dispersive spectrometer)、TG(thermogravimetric analysis)、FT-IR(fourier transform infrared spectroscopy)等方法進行分析,結果表明壓氣機導流葉片和靜子葉片附著物的顆粒狀態、元素含量、有機物類型等特征存在明顯區別,導流葉片主要為油脂和中長鏈烴類附著物,極性較強,而靜子葉片主要為中長鏈烴類附著物,極性較弱。

為滿足壓氣機葉片的清洗需求,清洗介質要能夠同時滿足油脂型和中長鏈烷烴型附著物的高效清洗要求。根據清洗要求,研制了一種微乳型渦軸發動機高性能專用清洗劑,不含無機磷酸鹽、硅酸鹽、HAPs、苯環等組分,具有閃點高、滲透性能強、生物降解性好等優點。本文根據附著物性質以及分析量化數據模擬壓氣機導流葉片和靜子葉片積垢,并基于模擬積垢開展微乳型清洗劑的清洗能力測試。另外,為保證清洗劑不會對發動機金屬材料造成腐蝕,參照美國軍用標準MIL-PRF-85704C[17]對清洗劑的金屬材料腐蝕性能進行測試。結果表明研制的微乳型清洗劑具有良好的清洗能力和緩蝕性能。

1 壓氣機葉片附著物分析

某型直升機主要在內陸地區服役飛行,并進行沿海飛行訓練,內陸地區的飛行時長約占總飛行時長的90%,主要飛行環境是油煙、霧霾、塵土等。該型直升機按計劃在維修廠進行大修時,采集其發動機壓氣機0～7級葉片的附著物,并對其組分、結構等進行定性和定量分析。其中,0～4級為可變迎角葉片(簡稱導流葉片),5～7級為不可調靜子葉片(簡稱靜子葉片)。

1.1 壓氣機葉片附著物形貌分析

對壓氣機葉片的附著物形貌進行觀測分析,宏觀來看,壓氣機不同級葉片上的附著物形態存在明顯的區別。導流葉片上附著物大多呈現黑色結塊狀且油狀物質不多,隨著葉片級數的增加,附著物厚度變薄,油狀物質明顯增加。靜子葉片上的附著物基本呈現致密顆粒狀,污垢物和油狀物質均勻混合。另外,導流葉片和靜子葉片上的附著物并非均勻分布,導流葉片主要集中在葉根和葉片前緣,靜子葉片主要集中在葉根部位。附著物的分布位置情況與文獻[18]的研究結果一致。

忽略附著物的分布位置,重點研究附著物的形貌特征,進一步運用SEM進行微觀分析,SEM的放大倍數設置為5 000倍。典型的導流葉片微觀形貌如圖1所示,靜子葉片微觀形貌如圖2所示。微觀分析結果表明,在5 000倍的觀察倍數下,壓氣機葉片上的附著物可以分為2種形貌類型:0～4級導流葉片為第1類;5～7級靜子葉片為第2類。在顯微鏡下,0～4級導流葉片的附著物呈大塊堆聚狀態;5～7級靜子葉片的附著物呈小顆粒緊密聚集狀態。

圖1 5 000倍下2級導流 圖2 5 000倍下6級靜子 葉片形貌 葉片形貌

結合宏觀觀測和微觀分析可知,壓氣機葉片附著物的形貌特征主要表現為:從顆粒狀態來看,壓氣機葉片由外向內隨著級數的增加,附著物形貌呈現塊狀、大顆粒、小顆粒的變化趨勢;從附著物厚度來看,隨著級數的增加,附著厚度逐漸變小;從附著物形態來看,隨著級數的增加,附著物逐漸由固態向流動態變化。

根據壓氣機葉片附著物的形貌表現特征可知,吸入發動機的外來物會被壓氣機葉片逐級阻攔,導流葉片阻攔了大部分的外來物;微小顆粒物和油狀物可以穿過導流葉片進入后級靜子葉片,并在壓氣機工作的較高溫度下形成粘附性強的附著物。

1.2 壓氣機葉片附著物元素分析

運用EDS對壓氣機葉片的附著物進行分析,結果表明,附著物含有的元素有碳、氧、硅、硫、鈉、鉀、鋁、鈣、鐵、銅、鎳、鈦、鎂等。按照非金屬元素和金屬元素進行分類,壓氣機各級葉片的主要元素分布情況如圖3～4所示。

圖3 各級葉片附著物的非金屬元素含量分布

圖4 各級葉片附著物的主要金屬元素含量分布

由圖3分析可知,葉片附著物的主要非金屬元素有碳、氧、硅、硫,其中碳元素和氧元素的質量分數明顯高于硅元素和硫元素。碳元素和氧元素的質量分布狀態基本呈對稱性,且導流葉片的碳元素含量明顯低于靜子葉片,導流葉片的氧元素含量明顯高于靜子葉片。硅元素的分布在導流葉片明顯低于靜子葉片。硫元素的分布在各級葉片基本相當,且含量較低。

對圖4進行分析,可以發現,葉片附著物的主要金屬元素有鈣、鋁、銅、鈉、鉀等元素。鈉、鉀元素在導流葉片區域含量基本相當,在靜子葉片區域含量出現分化;鋁元素和鈣元素的分布趨勢相似,且導流葉片的含量高于靜子葉片;銅元素的分布趨勢相反,靜子葉片的含量要明顯高于導流葉片,且在第6級靜子葉片的分布非常突出。

結合圖3和圖4分析,可以發現,碳元素和氧元素的最低含量都大于20%,兩者的混合含量大約為80%。其余各元素的含量都低于10%,金屬元素低于4%,混合含量約為20%。

根據以上發現做進一步分析,鈉、鉀元素的含量較低,這與該型飛機實際沿海飛行時間較少的情況相符。硅、鈣元素通常以無機鹽的形式在外界塵土或霧霾中存在,2種元素在導流葉片的分布明顯高于靜子葉片,因此可以推斷外來塵土大部分粘附在壓氣機導流葉片,同時結合SEM分析結果可以知道,外來塵土經過各級導流葉片,大部分被過濾,只有部分小顆粒物進入后級靜子葉片。銅元素在靜子葉片的含量明顯高于導流葉片,可以推測銅元素并非來自于外部空氣環境,分析表明可能與潤滑油相關。碳元素和氧元素的含量較高,碳元素的最主要來源為發動機尾氣和滑油泄漏。更進一步分析,碳元素和氧元素的質量分布狀態基本呈對稱性,導流葉片的兩元素含量基本相當,而靜子葉片的氧元素含量明顯減少,可以推斷是由靜子葉片附著物中金屬氧化物和無機鹽含量較低所致。

1.3 壓氣機葉片附著物熱重分析

對壓氣機葉片的附著物進行熱重分析,典型的2級導流葉片和6級靜子葉片附著物的熱重變化曲線如圖5所示。

圖5 2級導流葉片和6級靜子葉片附著物的熱重圖線

由圖5分析可知,導流葉片和靜子葉片的附著物分解大體可以分為3個溫度階段。對于導流葉片,如圖5所示,25℃～150℃為低溫第1階段,該階段主要為水蒸發和低分子量有機物分解;150℃～400℃為中溫第2階段,該階段主要為中沸點有機物的揮發、油脂的分解或聚合;400℃～800℃為高溫第3階段,該階段主要為有機膠質、高碳有機聚合物等的分解或聚合。對于靜子葉片,0℃～150℃為低溫第1階段,150℃～240℃為中溫第2階段,240℃～800℃為高溫第3階段,各階段的分解情況與導流葉片相同。

進一步分析,得到各級葉片在不同溫度階段的附著物失重率,如表1所示。

對于導流葉片,由表1可以知道,導流葉片附著物在中溫階段的失重率最高,其次為高溫階段,在低溫階段的失重率最低。由圖5可以看出,導流葉片附著物在150℃～400℃有明顯的質量損失。

對于靜子葉片,由表1可以知道,靜子葉片附著物在中溫階段和高溫階段的失重率基本相當,在低溫階段的失重率較低。由圖5可以看出,靜子葉片附著物在150℃～240℃有明顯的質量損失。導流葉片與靜子葉片附著物中溫階段重量損失特點不同。另外,從表1中可以看出,0級導流葉片的最終剩余量最大,且隨著級數的增大逐漸減低,結合EDS分析結果,最終剩余物質主要成分為無法分解的無機鹽和氧化物;7級靜子葉片的剩余量突然增大且高溫失重率較大,主要原因推斷為靜子葉片的有機膠質含量較高。

表1 各級葉片附著物的失重率

1.4 壓氣機葉片附著物紅外譜圖分析

為進一步判斷各級葉片附著物性質,通過氯仿溶劑在室溫下超聲10 min萃取,然后高速離心分離有機物與無機物,結果如圖6所示。

圖6 各級葉片附著物有機物萃取結果

由圖6可知,0～3級的萃取液顏色呈淡黃色到黃色透明,4級萃取液稱暗黃色,5～6級萃取液則基本呈無色透明。可以說明5～6級靜子葉片附著物的有機物與0～4級導流葉片附著物的有機物性質不同,結合熱重分析,可以推測靜子葉片附著物中含有較多的來自發動機內部的滑油,該推測同時可以較好解釋靜子葉片附著物中銅元素含量明顯升高的現象。

為進一步驗證上述判斷,運用FT-IR對導流葉片、靜子葉片附著物萃取液進行分析,以2級導流葉片和6級靜子葉片作為典型,紅外譜圖如圖7～8所示。由圖可知,導流葉片和靜子葉片在3 440 cm-1處存在明顯的O—H伸縮峰,在2 950,2 840 cm-1處存在明顯的CH3—、—CH2—基團的對稱和反對稱伸縮峰。從圖7中可以看出,2級導流葉片在1 740,1 160 cm-1處存在明顯的脂基吸收峰;而圖8中在此位置不存在吸收峰。紅外分析結果驗證了上述推測。導流葉片附著物的油相主要為油脂類和中長鏈烴類有機物形式,由航空油與外來油脂混合組成,來自于發動機尾氣;靜子葉片附著物的油相主要為中長鏈烴類有機物形式,來自于發動機潤滑油。此外也可以確定附著物中銅元素是主要來自于潤滑油。

圖7 2級導流葉片附著物的有機物紅外譜圖

圖8 6級靜子葉片附著物的有機物紅外譜圖

2 壓氣機葉片附著物組分計算及人工模擬

2.1 壓氣機葉片附著物的組分及含量

根據以上SEM形貌分析結果、EDS元素分析結果、TG熱重分析結果、FTIR紅外譜圖分析結果,可以分析并計算壓氣機導流葉片和靜子葉片的附著物組分以及含量。

首先,進行定性分析,導流葉片和靜子葉片附著物的顆粒狀態、元素含量、有機物類型等特征存在明顯區別。導流葉片附著物的主要組分為無機鹽、油脂、中長鏈烴類等,附著物主要來源于空氣中的塵土、霧霾、昆蟲尸體、滑油泄露。靜子葉片附著物的主要組分為中長鏈烴類、積碳以及高碳有機膠質,附著物主要來源于滑油泄露。進一步分析,空氣中的污染物大部分被導流葉片過濾,只有少部分的小顆粒物會進入導流葉片之后,而靜子葉片的碳元素含量激增,可能是因為壓氣機中部的滑油泄露。

其次,進行定量分析,使用氯仿溶劑進行超聲波萃取后高速離心分離有機物與無機物,在50℃環境下進行真空烘干,導流葉片和靜子葉片附著物的組分見表2所示。表2中,無機鹽主要是碳酸鹽、硅酸鹽等,氧化物主要是來自于葉片部件元素;可萃取有機物主要是油脂;碳及高碳有機物主要是不同程度的積碳等。

表2 壓氣機葉片附著物組分及含量 %

2.2 附著物的人工模擬

在清洗劑研究及定型測試過程中需要評估清洗劑對于附著物的去除能力[11],因此需要建立符合壓氣機附著物特征的人工模擬油污。為保證清洗劑對于渦軸發動機壓氣機清洗的針對性和有效性,基于表2中的數據建立模擬油污,具體見表3。為后續使用方便,將導流葉片模擬附著物定義為Ⅰ型油污,將靜子葉片模擬附著物定義為Ⅱ型油污。

表3 模擬油污的組分及含量

3 清洗實驗研究

根據表2所示,壓氣機的附著物根據導流葉片和靜子葉片分為2大類型,導流葉片附著物主要由無機物和油脂組成,極性較強;靜子葉片附著物主要由高碳含量有機聚合物和中長烴鏈油組成,極性較弱。因此,要保證壓氣機清洗的有效性,清洗介質須同時滿足2種類型附著物的清除效能。根據附著物組分特征,清洗介質應具備良好的皂化、溶解、乳化、滲透以及分散能力。本文提出一種微乳型水基清洗介質,復配表面活性組分的滲透、乳化能力,利用有機溶劑對烴類物質、油脂的溶解能力,利用水對無機鹽的溶解能力實現壓氣機導流葉片附著物和靜子葉片附著物的同時清洗去除。本清洗劑方案選取至少2種非離子型表面活性劑作為清洗主劑,選擇至少一種環保有機溶劑作為油相,選擇一種水-油相連接劑,選擇一種緩蝕劑組分。所選用的全部原材料安全、綠色、環保,不含苯環、無機磷酸鹽、硅酸鹽,表面活性劑可以完全生物降解,環保有機溶劑的添加量低于10%,符合相關標準要求[11]。

3.1 清洗組分篩選及測試

選用脂肪醇聚氧乙烯醚非離子表面活性劑通過正交復配實驗,篩選最佳的清洗效果配比。在此基礎上,將復配表面活性劑與油相、增溶劑調試成穩定透明溶液,形成清洗介質主劑。通過實驗,分析確定清洗主劑為:20%～30%的表面活性劑組分,5.0%～8.0%的油相,其余為去離子水,可以滿足無機鹽和中長鏈烴類的溶解、油脂皂化以及其余物質的滲透剝離。清洗主劑組分穩定溶液狀態及其分散性能如圖9所示,根據文獻[11]對清洗主劑性能進行測試,測試結果見表4。

圖9 清洗主劑原液、10%稀釋液及油污分散液

表4 清洗主劑理化性能測試結果

從圖9和表4中可以看出,實驗篩選得到的清洗主劑呈弱堿性,閃點高,具有良好的清洗能力、乳化效率和油污分散能力。

3.2 緩蝕性能研究

分析針對碳鋼、鋁合金、銅合金、高溫鎳基合金等材料的高效緩蝕劑,選取具有最佳緩蝕效果的緩蝕組分,并將其與清洗主劑復配。復配后清洗介質的緩蝕性能測試結果見表5。從表5中可以看出,新型清洗介質對金屬材料無腐蝕性,表5中的技術指標來源于國軍標GJB 8622-2015。

表5 清洗劑腐蝕性能研究結果

3.3 葉片清洗驗證研究

為進一步驗證新型微乳型清洗劑對于壓氣機附著物的清洗能力,同時為壓氣機清洗提供相應的技術參數,在相同的超聲波清洗機參數條件下,對比測試新型清洗介質與去離子水對于壓氣機附著物的清洗效能。超聲波清洗機的參數設置為:超聲波頻率27 kHz,聲強0.9W/cm2。

根據表3取相應的導流葉片Ⅰ型油污和靜子葉片Ⅱ型油污,并在烘箱中進行烘干。烘干條件為,在105℃穩定溫度下持續烘干1 h,然后進行冷卻1 h,此過程反復進行10次。烘干后的人工模擬Ⅰ型和Ⅱ型油污在形貌上與導流葉片及靜子葉片的原始附著物具有一致性,可以認為模擬油污基本等同于實際附著物。

在超聲波清洗機中對人工模擬油污試驗件進行清洗,清洗劑為10%稀釋液,測試結果如圖10～11所示。從兩圖中可以看出,在給定的超聲波條件和清洗劑濃度下,2種模擬油污的去除率都大于99%,具有很好的清洗效率,且隨著超聲時間的增加,清洗效果明顯提升。

圖10 導流葉片模擬油污在清洗劑中的超聲清洗結果

圖11 靜子葉片模擬油污在清洗劑中的超聲清洗結果

另外,從圖10中看出,超聲時間達到15 min時可以將導流葉片Ⅰ型油污基本去除。從圖11中看出,超聲時間到1 min時就可以將靜子葉片Ⅱ型油污基本去除。壓氣機葉片清洗時不具備超聲波條件下的物理摩擦強度,主要采用浸泡后壓氣機進行冷轉的方式清洗,因此為保證在實際過程中的清洗效率,需保證葉片能夠在清洗劑中有充分的浸泡時間。

為進一步驗證清洗能力,在給定的超聲波條件下,對比分析清洗劑10%稀釋液與去離子水的清洗效果,根據以上測試結果,設定導流葉片Ⅰ型油污在2種清洗介質中的超聲波時間為10 min,靜子葉片Ⅱ型油污在2種清洗介質中的超聲波時間為1 min。測試結果如圖12～13所示。兩圖中，a)和b)為烘干后的模擬油污試件，c)為采用10%清洗劑稀釋液作為清洗介質進行超聲波清洗后的試件，d)為采用去離子水作為清洗介質進行超聲波清洗后的試件。

圖12 導流葉片模擬油污在2種介質中的超聲清洗結果

圖13 靜子葉片模擬油污在2種介質中的超聲清洗結果

從圖12和圖13可以看出,10%清洗劑稀釋液對2種類型模擬油污都具有良好的清洗效果,去離子水對靜子葉片Ⅱ型油污的清洗效果尚可接受,但是清洗過后油污容易再沉積,清洗不徹底。去離子水對于導流葉片Ⅰ型油污基本無清洗效果。計算附著物質量損失可以發現,10%清洗劑稀釋液對于人工模擬油污的清洗效果達到去離子水的4倍以上。根據實驗結果可知,單純使用去離子水在超聲條件下對于導流葉片附著物的清洗作用極其微弱,而對于靜子葉片附著物的清洗作用可以接受。

4 結 論

本文分析了渦軸發動機壓氣機葉片附著物的性質、組分及其含量,針對性地研究了綠色安全的微乳型清洗介質,相關研究對于壓氣機性能恢復性清洗有一定的指導作用。通過研究,形成如下結論:

1) 壓氣機導流葉片和靜子葉片附著物的顆粒狀態、元素含量、有機物類型等特征存在明顯區別,導流葉片附著物主要組成為油脂和中長鏈烴、氧化物以及無機鹽,極性強;而靜子葉片附著物主要組成為中長鏈烴、高碳含量有機聚合物,極性弱。導流葉片附著物主要來源于空氣中的塵土、霧霾、昆蟲以及發動機尾氣。靜子葉片附著物主要來源于空氣中的小顆粒物和來于發動機內部的滑油,以及滑油在高溫下形成的積碳和有機膠質。

2) 在超聲條件下,去離子水對于靜子葉片附著物的清洗效果一般,但對于導流葉片附著物基本無清洗效果。由于空氣中的污染物基本都附著在導流葉片上,因此采用清洗劑進行壓氣機清洗是必需的。當采用清洗劑作為介質進行壓氣機清洗時,需要保證葉片在清洗介質中有充分的浸泡時間。

3) 新型微乳型清洗劑同時兼顧壓氣機葉片的強極性附著物和弱極性附著物。在超聲條件和常溫浸泡條件下,對于壓氣機導流葉片和靜子葉片附著物都有良好的清洗去除效果,同時緩蝕性能效果良好,適用于渦軸發動機壓氣機清洗。