引言
随着民航强国的建设，飞机在人们出行中占据的比例越来越来大。而航空发动机是飞机的心脏，其健康状态对飞机安全影响甚大。飞机一旦投入使用，航空发动机的性能就不可避免的会退化。在飞机运行过程中，空气中的灰尘、水滴、烟尘以及发动机中的滑油等会粘附在压气机叶片上和内涵道上，使叶片和内涵道的粗糙度增大，从而降低压气机的流量、推力、工作效率等，导致发动机排气温度和燃油流量升高。如果空气中盐雾含量大，湿度大，叶片上就会附着盐渍，长时间就会腐蚀叶片[1]。因此，为了使发动机的重要性能恢复，降低维修成本，减少能源消耗，就必须对航空发动机进行定期的清洗维护。
目前主要清洗航空发动机的方法是水洗。而干冰清洗作为新兴的清洗技术，许多学者研究用干冰清洗不同的物件，如许娟红[2]等分析干冰清洗技术在轨道车辆中的可行性，杨剑[3]等将干冰清洗应用到继电器行业中等，得到干冰清洗效果要好于其他清洗技术的结论。
1发动机清洗技术
目前主要采用的发动机清洗方案是发动机水洗。发动机水洗是指无需对发动机进行拆卸，针对发动机气路通道进行清洗，即在发动机干冷转状态时，用一种发动机清洁剂溶液清洁叶片上的积垢，来实现部分恢复发动机的性能[1]。
由于发动机干冷转持续时间比较短，一般为几十秒，所以对清洁剂的要求较高。而且这种方法清洗效果差，效率低，对滑油沉积物清洗不理想，清洗剂溶液对环境以及发动机滑油系统污染大，在温度低的环境下还不能进行水洗，避免发动机结冰，清洗前期准备和水洗作业的时间较长，水洗后还需要另外的点火试车烘干收油池及气源系统除异味，水洗过后发动机中还有残留物，需要增加后期的维护工作。因此，高效、安全、环保、无水的清洗方式是航空发动机压气机清洗技术的发展方向。
2 发动机干冰清洗的可行性
目前干冰清洗技术已应用于各行业，但是针对干冰清洗在航空发动机压气机上的研究较少，本文主要以试验分析的方法研究干冰清洗航空发动机压气机的机理和可行性。
2.1 理论分析
干冰清洗技术又称为干冰冷喷技术，干冰为固态的二氧化碳，温度为零下78.5摄氏度（零下109华氏度），而且干冰为分子晶体，具有洁净、无毒无味、易升华、硬度低的特点。当干冰被压缩空气加速喷出，高速的干冰颗粒撞击物体表面，极速气化，瞬间膨胀爆破成气体，产生微爆效应，从而将污渍从表面剥离[4]。
干冰清洗过程分为三个过程：
a) “能量交换”：干冰颗粒高速撞击积垢，干冰颗粒与积垢发生动能与热能的转移，干冰颗粒瞬间升华为气体。
b) “低温皲裂”：干冰颗粒撞击被洗表面和积垢时，因为两者材料的热膨胀系数不同，低温会影响两者的结合，使积垢冷冻至脆化，从被清洗表面脱落。
c) “微爆炸”：在皲裂缝隙中，干冰颗粒在升华时，体积会瞬间膨胀800倍左右，将积垢剥离被清洗表面。
图1 干冰清洗原理
2.2 干冰清洗试验
在干冰清洗中，高速的干冰颗粒撞击积垢，干冰颗粒的动能转移到积垢上，使积垢可以克服与被清洗表面的结合力，从表面脱离下来[5]。而干冰升华吸热使积垢温度下降，低温使积垢变脆彻底从表面离开。试验通过目视法检测，将清洗前后的叶片进行比较，得到干冰清洗的清洁度。
试验所采用的的设备为自制的干冰清洗机，发动机压气机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，其中空气压缩机接着干冰清洗机的空气进口处，干冰喷嘴与干冰导入部连接，干冰喷嘴对着压气机第三级叶片。试验的主要参数：干冰质量流量6.0kg/min，清洗角度为90°，转速2500r/min，空气温度298.15K，干冰清洗的距离为150mm，清洗时间为50s。
试验所采用的的叶片为CFM56系列的发动机高压压气机的第三级叶片。
（a）干冰清洗原理示意图
（b）干冰清洗实际示意图
图2 干冰清洗示意图
试验过程：1）将人工油污涂于压气机叶片上，然后用相机拍照，方便与清洗后的叶片进行对比。2）确认干冰清洗机各部分连接紧密，用伺服控制器将压气机转速调到冷转状态2500r/min左右，打开空压机，待气流稳定。3）从进料漏斗处加入干冰颗粒，干冰喷嘴处可以明显看到喷出的干冰颗粒后，开始计时。4）叶片温度由TM330红外温度计测得，快速测量叶片同一点温度，每间隔10s测一次温度，直至计时50s后，停止加入干冰颗粒，关闭空压气的电源，最后将压气机的转速降为零。5）将清洗后的叶片用相机拍照，便于观察。
清洗前后叶片如图3所示。
图3 清洗前后的叶片
从图3可以得出；干冰清洗压气机叶片效果较为好，有一部分油污已经被完全去除，则说明干冰能清洗压气机上的污垢。
叶片表面温度变化如表1所示。
表1 叶片表面温度变化
从表中可以看出干冰清洗时叶片表面的温度变化较小，因为温度变化发生在污垢与叶片结合面，对叶片本身损伤较小，满足叶片清洗要求。
3 干冰清洗的优势及面临问题
3.1 干冰清洗的优势
干冰清洗可以实现干式、无污染、无毒的清洗模式，其清洗效果较好[6]。干冰清洗将有效解决水洗存在的问题，清洗作业时间将减少至30分钟左右，并且整个清洗程序不受季节以及温度的影响，对于顽固积垢也能有效清洗，也不会留下任何二次污染物在发动机中，对发动机各部件系统无污染，绿色环保[7]。
a) 安全性好：干冰清洗以二氧化碳作为介质，硬度低，在不拆除控制器、传感器时清洗，不会影响发动机相关机电设备的正常运行。相比其他清洗方式，需要用水作为介质，在寒冷环境下干冰清洗效果十分显著。
b) 节能高效：干冰在作业时会瞬间升华为气体，随气流带走污垢，并且不会出现任何残留，避免了清洗介质对发动机的二次污染，降低了清洗发动机的时间和经济成本。
c) 环保：干冰清洗设备简单，操作快捷，清洗时间较短，且对周围的人和环境无污染，有利于操作，保护环境，降低危险事件的发生。
3.2 面临的困难
a) 实际情况中，发动机叶片及内涵道中的污垢成分复杂、含量各异，这必然导致理论和实际的清洗效果有一定的差异，在实际操作中，因为干冰的喷射的用量、喷射角度、喷嘴与被清洗面的距离以及干冰的喷射速度等因素的影响有较大的差异。
b) 因为清洗后的干冰颗粒动能小而且会瞬间升华，不存在干冰颗粒乱溅的问题，但从发动机中吹出来的气流使清洗下来的积垢四处飘散，不易收集。
c) 在进行实际操作时，能借鉴对在翼发动机干冰清洗技术的研究和理论较少，干冰清洗发动机目前还停留在实验室研究阶段。
虽然目前干冰喷射清洗技术存在较多困难，但是，相信在不久的未来，新型、环保、高效的干冰喷射清洗技术将会在我国清洗行业发展迅速。
4 结论
本文根据干冰清洗的机理和特性，对发动机压气机叶片进行清洁度试验和温度测试分析，说明干冰喷射清洗对发动机压气机叶片清洗效果较为明显，且温度变化较小，对叶片损伤较小，满足发动机压气机叶片清洗条件。相比其他清洗技术，干冰喷射清洗技术为发动机清洗研究提供了一个新的方向。
参考文献
[1] 付旭云,钟诗胜,姜海波,毛浩权.民用航空发动机水洗效果量化评价方法[J].航空工程进展,2015,6(03):347-353.
[2] 许娟红,火巧英,王国平.干冰清洗技术在轨道车辆中的可行性分析[J].中国设备工程,2020(12):166-167
[3] 杨剑,熊培军. 干冰清洗在继电器清洗行业中的应用探讨[J]. 机电元件,2020,40(6):29-34.
[4] 郑莉,李梦佳. 干冰清洗机清洗原理及使用注意事项[J]. 清洗世界,2015,31(2):15-18.
[5] 张毅平,王铁.采用干冰喷射技术清洗油槽车的可行性研究[J].清洗世界,2009,25(03):17-22.
[6] 赵海兵,张文军,苏文祥,等. 干冰喷射技术在线清洗切丝机铜排链的可行性分析[J]. 福建质量管理,2018(21):154,146.
[7] 何华勇. 隧道干冰清洗试验研究[D].重庆大学,2012.
作者简介：敖良忠（1971-），男，重庆铜梁人，教授，研究生导师，研究方向：航空发动机维修。
易相兵（1995-），男，重庆合川人，研究生，研究方向：发动机维修及干冰清洗。