航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻原理分析

張金璐

摘 要：燃?xì)鉁u輪技術(shù)包括渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、傳熱分析，冷卻技術(shù)、工藝材料技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等許多技術(shù)，它是一個(gè)高、新、精技術(shù)的綜合體。本文介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻控制系統(tǒng)及其故障檢查方法，該系統(tǒng)功用實(shí)在接近發(fā)動(dòng)機(jī)最大工作狀態(tài)下，提供和撤銷(xiāo)冷卻渦輪用的附加空氣流量，保證渦輪正常工作。

關(guān)鍵詞：冷卻控制附件 冷卻空氣 渦輪

中圖分類(lèi)號(hào)：V263.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

1 典型的冷卻方式

目前燃?xì)廨啓C(jī)采用的冷卻而方式有對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻、氣膜-對(duì)流冷卻以及對(duì)流-沖擊-氣膜相結(jié)合的復(fù)合冷卻方式，筆者就其中2種加以粗淺分析。

氣膜冷卻：冷卻空氣通過(guò)物體壁面上按一定方式分布的孔或縫隙流出，在高溫燃?xì)夂臀矬w壁面形成一層低溫隔熱氣膜以減少高溫燃?xì)鈱?duì)物體的換熱。這是一種在被冷卻的渦輪葉片表面上排氣的冷卻系統(tǒng)，當(dāng)溫度大于1500-1600K時(shí)，渦輪葉片均采用氣膜冷卻。該冷卻效果可達(dá)650℃以上，是現(xiàn)代渦輪高溫部件的主要冷卻方式。

對(duì)流冷卻：冷卻氣流流過(guò)被冷卻的物體表面時(shí)，通過(guò)對(duì)流換熱，帶走部分熱量，使其降溫的冷卻方式。這是最簡(jiǎn)單的冷卻方式，最大冷卻效果可達(dá)250℃以上。

沖擊冷卻：又稱(chēng)為噴射冷卻，是冷卻氣流垂直沖擊被冷卻物體表面的對(duì)流冷卻，屬于對(duì)流冷卻的一個(gè)分支。沖擊冷卻比一般對(duì)流冷卻效果高出好幾倍。沖擊冷卻大多用來(lái)冷卻受熱最嚴(yán)重而冷卻條件又差的領(lǐng)域。

2 渦輪冷卻目的

提高渦輪前溫度，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

在渦輪前溫度給定的情況下，降低零件溫度到允許的范圍內(nèi)，以保證這些零件具有必要的機(jī)械強(qiáng)度。

使零件內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，以減小零件中的熱應(yīng)力，以渦輪盤(pán)為例，由于沿半徑溫度不均勻造成的熱應(yīng)力很大，可達(dá)1000-3000千克力/厘米2，甚至更大。

將零件與燃?xì)飧綦x，避免燃?xì)鈱?duì)零件工作表面的腐蝕。

由于零件的冷卻，有可能采用廉價(jià)的合金鋼來(lái)代替昂貴的高溫合金（鎳基合金、鈷基合金等），以降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本。

3 典型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻系統(tǒng)

該型發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻控制系統(tǒng)使用了氣膜-對(duì)流冷卻方式，其功用是再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的需要，提供和撤銷(xiāo)冷卻渦輪用的附加空氣流量。冷卻空氣取自發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和風(fēng)扇。在較高的燃?xì)鉁囟认陆油ǜ郊永鋮s空氣，把渦輪受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，有效的冷卻渦輪各個(gè)部件，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在正常壽命期限內(nèi)可靠地工作。當(dāng)飛機(jī)在小耗油狀態(tài)下或在大航程狀態(tài)下，斷開(kāi)附加的冷卻空氣可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，降低燃油消耗率。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻工作路線

渦輪冷卻系的統(tǒng)通過(guò)不同氣路對(duì)渦輪進(jìn)行冷卻，渦輪冷卻控制系統(tǒng)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)不同，調(diào)節(jié)第其中一條或幾條氣路的冷卻空氣流量的，而其他氣路的冷卻空氣流量是不可調(diào)節(jié)的。這些冷卻空氣來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)、外涵道，根據(jù)零部件溫度高低分布，按各個(gè)氣路對(duì)渦輪進(jìn)行冷卻。

例如不參與燃燒的主燃燒室二股氣流，用來(lái)冷卻高壓渦輪導(dǎo)向器內(nèi)環(huán)、導(dǎo)向葉片的內(nèi)外緣板以及導(dǎo)向葉片的前半部。具體流動(dòng)路線是燃燒室火焰筒內(nèi)、外側(cè)的二股氣流分別冷卻導(dǎo)向葉片的內(nèi)外緣板后，從上、下兩個(gè)方向流入導(dǎo)向葉片的前腔，對(duì)導(dǎo)向葉片內(nèi)壁進(jìn)行冷卻后，從導(dǎo)向葉片前腔的冷卻孔流出來(lái)，在葉片表面形成氣膜冷卻，匯入燃?xì)饬鳌?/p>

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻控制系統(tǒng)

功用：冷卻控制系統(tǒng)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)冷卻空氣流量，保證渦輪正常工作。

組成：冷卻控制系統(tǒng)由斷流活門(mén)、冷卻控制附件、汽濾、電磁活門(mén)和分流活門(mén)組成。另外，噴口調(diào)節(jié)器、綜合調(diào)節(jié)器和監(jiān)控儀表作為控制冷卻氣流的職能部件。

斷流活門(mén)：斷流活門(mén)根據(jù)其上部的控制氣體壓力大小，來(lái)控制斷流活門(mén)內(nèi)的活塞移動(dòng)，從而控制冷卻空氣流量的大小。熱交換器的外部流過(guò)的是外涵道空氣，內(nèi)部流過(guò)的是主燃燒室二股氣流，用外涵道的氣流冷卻渦輪的二股氣流散熱。斷流活門(mén)只有兩個(gè)工作狀態(tài)，即開(kāi)和關(guān)；當(dāng)處在關(guān)閉位置時(shí)，斷流活門(mén)活塞在下極限位置，冷卻空氣流量最小，但冷卻空氣并沒(méi)有完全切斷；當(dāng)斷流活門(mén)處在打開(kāi)位置時(shí)，斷流活門(mén)內(nèi)的活塞在上極限位置，冷卻渦輪的空氣流量最大。斷流活門(mén)的開(kāi)關(guān)，由活塞上部的控制氣體壓力大小決定。當(dāng)控制氣體壓力大（與高壓氣體相通）斷流活門(mén)關(guān)閉；控制氣體壓力?。ㄅc大氣相通），斷流活門(mén)打開(kāi)。

渦輪冷卻控制附件：渦輪冷卻控制附件根據(jù)噴口調(diào)節(jié)器電磁活門(mén)和分流活門(mén)的油壓指令，控制斷油活門(mén)活塞上腔的氣體壓力大小，控制斷流活門(mén)的開(kāi)關(guān)。渦輪冷卻控制附件由殼體、活塞、限流嘴、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等組成。

空氣濾：空氣濾的功用是過(guò)濾輸往渦輪冷卻控制附件和噴口氣壓作動(dòng)筒高壓氣體中的雜質(zhì)。

4 渦輪冷卻系統(tǒng)工作原理

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度參數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器向噴口調(diào)機(jī)器的電磁活門(mén)發(fā)出斷電信號(hào)，電磁活門(mén)工作，具有控制壓力的燃油作用到渦輪冷卻控制附件的控制腔。如果轉(zhuǎn)速和溫度信號(hào)都不滿足，但油門(mén)位置滿足時(shí)，定壓活門(mén)來(lái)油經(jīng)分流活門(mén)作用到渦輪冷卻控制附件的控制腔。于是，活塞在壓力作用下下移，關(guān)閉空氣熱交換器到空氣控制壓力管路的氣路，同時(shí)打開(kāi)空氣控制壓力管路到大氣的通路。與此同時(shí)，渦輪冷卻控制附件上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)協(xié)動(dòng)，向發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)機(jī)器輸送渦輪冷卻系統(tǒng)接通信號(hào)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在不滿足冷卻接通條件下工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)出一個(gè)向電磁活門(mén)供電的信號(hào)。此時(shí)，從噴口調(diào)機(jī)器向渦輪冷卻控制附件供給控制壓力的燃油被中斷，并且從空氣熱交換器來(lái)的一部分空氣通過(guò)冷卻控制附件進(jìn)入到斷流活門(mén)的活門(mén)腔內(nèi)，活塞在氣壓作用下關(guān)閉，減小輸往渦輪的冷去空氣流量。至此發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器傳輸一個(gè)把燃?xì)鉁囟日{(diào)節(jié)通道重新調(diào)整到低數(shù)值的指令。

如果滿足接通渦輪冷卻條件之一，而微動(dòng)開(kāi)關(guān)未發(fā)出渦輪冷卻接通信號(hào)，則發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)“不冷卻”信號(hào)。并阻斷了用油門(mén)桿操作手柄方式增大發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的可能性。

5 渦輪冷卻的故障模式及檢查要點(diǎn)

冷卻斷不開(kāi)：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)滿足切斷渦輪冷卻條件時(shí)，參數(shù)記錄系統(tǒng)仍顯示“渦輪冷卻接通”信號(hào)，此時(shí)應(yīng)檢查渦輪冷卻控制附件微動(dòng)開(kāi)關(guān)線路是否正常。

渦輪冷卻未接通：例如出現(xiàn)轉(zhuǎn)速低于90%信號(hào)時(shí)，此信息表示在發(fā)動(dòng)機(jī)滿足接通渦輪冷卻條件的情況下，冷卻系統(tǒng)實(shí)際未接通。此故障可以做如下檢查：根據(jù)參數(shù)記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析報(bào)警信號(hào)的時(shí)機(jī)，判斷是否滿足接通渦輪冷卻的轉(zhuǎn)速、溫度和油門(mén)條件。如果不滿足接通條件，則故障可能是發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器或其線路問(wèn)題；連接發(fā)動(dòng)機(jī)檢查儀器，檢查從發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令（轉(zhuǎn)速、燃?xì)鉁囟戎噶睿┑耐ㄟ^(guò)情況。①如果檢查儀器上的“無(wú)冷卻”信號(hào)燈是按規(guī)定正常亮、滅的，可斷定發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器已經(jīng)發(fā)出接通或斷開(kāi)渦輪冷卻的信號(hào)。②發(fā)動(dòng)機(jī)檢查儀上的電磁活門(mén)信號(hào)燈與“無(wú)冷卻”信號(hào)燈亮、滅應(yīng)該是相反的，否則可能出在發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)器及其控制電磁活門(mén)的線路上。③對(duì)電磁活門(mén)的電路進(jìn)行檢查：電阻應(yīng)在規(guī)定值內(nèi)。④再檢查電磁活門(mén)的供電情況，檢查飛機(jī)系統(tǒng)是否可以正常向電磁活門(mén)供電。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的內(nèi)容使用于典型的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻系統(tǒng)，對(duì)冷卻系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)做了一部分總結(jié)，并提供了在出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)故障時(shí)幾點(diǎn)參考意見(jiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2]繳瑞海.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪冷卻系統(tǒng)原理及典型故障分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（26）：47.