发动机构造第十三章空气系统

1、第十三章 空气系统13.1 发动机内部空气系统和飞机气源系统 发动机的内部空气系统是指那些对发动机推力的产生无直接影响的空气流。为了发动机能安全和有效的工作，该系统具有几项很重要的功能。这些功能包括：发动机的内部和附件装置的冷却，轴承腔封严，控制轴承的轴向载荷，控制涡轮叶片的叶尖间隙，发动机防冰等。该系统还为飞机使用要求提供引气，用于飞机空调、增压、发动机启动、机翼防冰、探头加温等。空气从风扇、压气机的中间级和高压级引出，以不同的温度和压力满足特定的功能要求。当然，飞机用气还可从辅助动力装置的引气以及在地面时从地面气源得到，它们都通到飞机气源总管。 发动机引气系统包括钢管道、单向活门、调节和切

2、断活门，压力调节器和空气冷却系统。这些组件从发动机接受压力空气，调节它的压力和温度，并引导其通过引气切断活门到气源总管。气源总管包括分配、隔离、空气清洁和压力指示部件。它互连来自发动机、辅助动力装置或地面气源车的压力源，并且按需要引导到空调、热防冰或发动机启动系统。管道是钛合金结构。见图13-1。图13-1 气源系统布局图13.2 发动机主要部件冷却 在燃气涡轮发动机设计阶段的一项重要考虑是保证发动机的某些零件以及某些附件吸收的热量达不到危及其安全工作的程度。需要冷却的主要区域是燃烧室和涡轮。冷却空气用于控制压气机轴和盘的温度，既可以对其冷却，也可以为它们加热。这样就保证了温度的均匀分布，并通

3、过控制热膨胀，保持最小的叶尖和封严间隙，改善了发动机效率。典型的冷却和封严空气流见图13-2。图13-2 内部空气流简图 燃烧室冷却 燃烧释放的燃气温度大约是1800到2000，燃气温度太高，不适于进入涡轮导向器叶片。未用于燃烧的空气，占总空气流量相当大的部分，被引入火焰筒。这部分空气大约有三分之一用在稀释区降低燃气温度，然后再进入涡轮，而其余的空气则用来冷却火焰筒的壁面。实现这一点是借助于一层冷却空气沿火焰筒壁的内表面流动，形成一层隔热空气膜，将火焰筒壁面与热燃气隔开。 涡轮冷却高的热效率取决于高的涡轮进口温度，它受涡轮叶片和导向器材料的限制。对这些部件进行连续不断的冷却可以允许它们的环境工

4、作温度超过材料的熔点而不影响叶片和导向器的整体性。从涡轮叶片向涡轮盘的热传导要求对轮盘加以冷却，从而防止热疲劳和不可控的膨胀率和收缩率。 涡轮导向叶片和涡轮叶片的寿命不仅取决于它们的结构形式，而且还与冷却方法有关，因此内部流道的气流设计很重要。单通道内部对流冷却具有很大的适用效果，多通道的内部冷却涡轮叶片，带外部气膜冷却冲击式冷却也已采用。见图13-3。图13-3 高压涡轮冷却叶片的发展 冷却涡轮盘的空气进入轮盘之间的空腔，并往外流过轮盘的表面。气流由级间封严件控制，在完成冷却功能之后，排入主燃气流。 轴承腔冷却 在需要冷却的情况下，好的做法是设一个双层壁的轴承座，让冷却空气通入其中间的空腔。

5、空气还用于轴承滑油腔增压。见图13-4。 封严 封严件用于防止滑油从发动机轴承腔漏出，控制冷却空气流和防止主气流的燃气进入涡轮盘空腔。在燃气涡轮发动机上使用了多种封严方法，选择何种方法取决于周围的温度和压力、可磨损性、发热量、重量、可用的空间、易于制造及易于安装和拆卸。图13.4 涡轮冷却和封严的安排 附件冷却 发动机的一些附件会产生大量的热，其中发电机即是一例。这些附件常常需要有它们自己的冷却通路。此外，发动机机匣、点火导线也需要空气冷却。机匣冷却来自外界空气。见图13-5。图13-5 发动机机匣冷却13.3 压气机稳定性控制 如果压气机的工作状态偏离设计状态过多，气流分离和空气动力诱导的振

6、动就会发生。这些现象通常具有下述两种形式之一。转子叶片可能因为空气流相对叶片的迎角太高或者太低而失速。前者是前面的级在低速下发生的问题，而后者通常在高速下影响后面的级发生的问题，每一种都可以导致叶片振动。如果失速的叶片过多，发动机喘振就出现了。压气机的设计要留有足够的喘振裕度，即压气机工作线与喘振线之间有一定的距离，以避免进入喘振区。不过，喘振线和工作线随许多因素变化，它们都不是固定的。 压气机空气流量控制，也可以说压气机防喘措施主要有采用中间级放气，压气机静子叶片可调和采用多转子，即通过在非设计状态下，改变速度三角形的绝对速度的轴向分量、绝对速度的切向分量和圆周速度，从而使气流相对速度对转子

7、叶片的迎角同设计状态相近，避免叶片失速。 发动机喘振常出现的阶段有启动、加速、减速和反推。对于双转子轴流式压气机，加速时高压转子容易进入喘振区；减速时低压转子容易进入喘振区。 放气活门打开放掉一部分压气机中间级，或低压压气机后高压压气机前的空气。这一般在低功率和迅速减速时，一旦脱离喘振区，放气活门关闭。活门关闭过早或过晚均不利，关闭过早发动机没有脱离喘振范围，仍可能喘振；关闭过晚，放掉空气，造成浪费。关闭转速还受大气温度变化，大气温度高，关闭转速应增大。新型发动机上采用可调放气活门（VBV），活门开度是可变的，根据发动机状态参数计算决定开、关和开度大小。活门实际位置通过反馈钢索传回控制器与要求

8、位置比较。 可调静子叶片（VSV）是将高压压气机的进口导向叶片和前几级静子叶片做成可调的，当压气机转速从其设计值往下降低时，静子叶片逐渐关小，以使空气流到后面的转子叶片上的角度合适。当压气机转速增加时，静子叶片角度逐渐开大。可调静子叶片的转角同样根据发动机参数计算，其输出控制作动器的移动，再通过摇臂组件、主杆、连杆等传到作动环，作动环使连到它上面的所有叶片同时转角。叶片实际位置通过反馈钢索传回控制器与要求位置比较。 保证反馈钢索准确传送实际位置是非常必要的。反馈钢索要定期的或结合故障查找进行检查和调整。按照维护手册的程序进行如行程检查、阻力检查和校装。 压气机喘振的探测目前是依据压气机出口压力

9、的下降率或转子的减速率来判断。一旦探测出发生喘振，可自动打开放气活门，可调静子叶片在关的方向上再调几度，瞬时减少供油，提供高能点火以防止燃烧室熄火力图从喘振状态恢复过来。13.4 引气防冰 当飞机穿越含有过冷水珠的云层或在有冻雾的地面工作时，发动机和进气道前缘处会结冰。防止结冰是必要的，因为在这些地方结冰会大大限制通过发动机的空气流量，从而引起发动机性能损失并可能会使发动机发生故障。此外，脱落下来的冰块被吸入发动机或撞击进气道吸音材料衬层时可能造成损坏。 防冰系统必须在该飞机的使用要求内有效地防止冰的生成。防冰系统必须可靠，易于维护，不会过分增加重量，且在工作中不会引起发动机严重的性能损失。有

10、两种基本的防冰方法。涡轮喷气发动机一般采用热空气防冰，涡轮螺桨发动机采用电加温或热空气与电加温混合型。防冰可通过热滑油沿进气道周围循环来补充热量。热空气系统在可能会结冰的地方为发动机提供表面加温。 防冰系统的热空气通常取自高压压气机，通过调节活门用导管输至需要防冰的部件。进口整流罩防冰系统用过的空气可排入压气机进口或排出机外。调节活门由人工选择电磁作动或根据飞机防冰探测系统的信号自动作动。管道上可有压力、温度传感器监视防冰热空气的温度和压力，一旦超限给出信号。热空气防冰和组合防冰分别见图13-6和图13-7。图13-6 热空气防冰图13-7 热空气、热滑油和电加热组合防冰13.5 涡轮间隙控制 为了减少涡轮叶片叶尖和机匣之