航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻原理分析

程代姝

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

在航空發(fā)動機(jī)渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，需要綜合考慮渦輪氣動設(shè)計(jì)、傳熱分析、冷卻技術(shù)等問題，從而提升渦輪的抗高溫能力和工作效率。基于這一目的，航空發(fā)動機(jī)都配備有渦輪冷卻系統(tǒng)，根據(jù)具體的需求對冷卻渦輪用的附加空氣流量做出提供或撤銷處理，避免渦輪運(yùn)行出現(xiàn)異常故障。

1 渦輪冷卻系統(tǒng)的主要組成部分

從大致結(jié)構(gòu)上來說，為保證系統(tǒng)正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)，渦輪冷卻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括電磁、分流、斷流活門，冷卻控制附件，空空換熱器以及空氣濾器等主要結(jié)構(gòu)。

1.1 渦輪冷卻控制附件

殼體、限流嘴、微動電門、活塞以及彈簧共同構(gòu)成了渦輪冷卻控制附件主體，在應(yīng)用過程中，渦輪冷卻控制附件主要依據(jù)噴口加力調(diào)節(jié)器的電磁活門、分流活門的指令油壓數(shù)據(jù)，斷流活門控制相對靈活。渦輪冷卻系統(tǒng)的主要工作原理是，在發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下需要進(jìn)行渦輪冷卻的時候，將渦輪冷卻控制附件將空空換熱器與空氣控制壓力管道之間的氣路關(guān)小，同時，使斷流活門下移，實(shí)時發(fā)送冷卻系統(tǒng)工作信號。

1.2 電磁活門

電磁活門的作用原理是通過發(fā)動機(jī)綜合調(diào)節(jié)器的相關(guān)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)對冷卻控制附件活塞上部油壓的控制目的。在發(fā)動機(jī)處于特定的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或燃?xì)鉁囟葧r。電磁活門接收綜合調(diào)節(jié)器的相關(guān)指令進(jìn)行開閉，最終實(shí)現(xiàn)對渦輪冷卻控制附件上部的油壓進(jìn)行控制。

1.3 分流活門

分流活門的主要作用是根據(jù)操縱桿的角度控制開閉，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)冷卻控制附件上部油壓。

1.4 空氣過濾器

空氣過濾器的主要作用是確保渦輪冷卻控制附件的高壓空氣達(dá)到工作所需質(zhì)量清除其中的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)造成系統(tǒng)故障。

2 發(fā)動機(jī)渦輪冷卻方式

就目前來說，燃?xì)廨啓C(jī)最廣泛應(yīng)用的冷卻方式有以下幾種，包括沖擊冷卻，對流冷卻氣膜冷卻以及一些復(fù)合冷卻方式。其中，氣膜冷卻的主要原理是，將冷空氣通過冷卻物體表面特定規(guī)律排布的氣孔或縫隙以一定壓力噴出，并且憑借壓力在物體受熱面與高溫燃?xì)庵g形成一層低溫氣膜，從而減少高溫燃?xì)馀c物體受熱面之間的熱傳遞，最終起到對冷卻物體受熱面的冷卻與保護(hù)作用，在溫度高于1500～1600k時其冷卻效果可達(dá)650℃以上，在現(xiàn)代渦輪高溫部件冷卻工作中被廣泛應(yīng)用。而對流冷卻的主要工作原理則是，讓冷卻氣流以一定的速率通過被冷卻物體的受熱表面，通過冷卻氣與燃?xì)庵g的氣體對流換熱帶走部分本應(yīng)傳遞到物體受熱面的熱量最終達(dá)到冷卻效果，保護(hù)受熱面。與氣膜冷卻相比，對流冷卻效果較差，最大冷卻效果只有250℃左右。沖擊冷卻或噴射冷卻，從原理上看，其類似對流冷卻，通過冷卻器高速垂直對物體受熱面進(jìn)行噴射沖擊，與燃?xì)庑纬蓪α?，帶走熱量。由于大大提高了對流冷卻氣體的速度，因此這種方法相較傳統(tǒng)的對流冷卻，效果高出數(shù)倍，這種方法主要應(yīng)用在受熱嚴(yán)重，但冷卻條件極差的工作環(huán)境。

3 發(fā)動機(jī)渦輪冷卻系統(tǒng)

常規(guī)情況下，渦輪冷卻控制系統(tǒng)所應(yīng)用的是氣膜-對流復(fù)合冷卻方式，相較氣模冷卻以及對流冷卻，這種復(fù)合冷卻方式的優(yōu)勢在于可以依據(jù)發(fā)動機(jī)不同的狀態(tài)下的不同需求來提供不同的渦輪冷卻空氣流量。其冷卻空氣來源于發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)和風(fēng)扇。在發(fā)動機(jī)全功率運(yùn)轉(zhuǎn)時對處在較高燃?xì)鉁囟拳h(huán)境下的工作零件受熱面提供附加冷卻空氣，將渦輪受熱面的大量溫度及時帶走，對受熱零件進(jìn)行充分有效的保護(hù)，確保零件在工作過程中保證可靠，延長受熱工做零件的使用壽命。同時，在飛機(jī)進(jìn)行小油耗巡航過程中斷開附加冷卻空氣，以此提高發(fā)動機(jī)的工作效率，減少油耗。

3.1 發(fā)動機(jī)渦輪冷卻工作路線

為保證滿足發(fā)動機(jī)不同工作狀態(tài)條件下對渦輪的冷卻，渦輪冷卻系統(tǒng)必然要設(shè)置多條不同的冷卻氣路，為保證冷卻系統(tǒng)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)減少故障，因此冷卻系統(tǒng)中的大部分氣路流量是不可調(diào)節(jié)的，設(shè)置多條記錄的好處在于可以在發(fā)動機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下通過調(diào)節(jié)一條或幾條冷卻氣路的流量對冷卻效果進(jìn)行靈活調(diào)整，最大限度地滿足發(fā)動機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下不同分布的受熱零件的冷卻要求。此外冷卻空氣的來源來自發(fā)動機(jī)的內(nèi)外涵道，要求其必須做到依據(jù)零件溫度的高低分布，按照各個器物對渦輪進(jìn)行充分冷卻，確保發(fā)動機(jī)渦輪在各種工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下保持安全可靠。

3.2 發(fā)動機(jī)渦輪冷卻控制系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)渦輪冷卻控制系統(tǒng)的主要功能與作用是根據(jù)發(fā)動機(jī)的不同工作狀況控制冷卻系統(tǒng)，對發(fā)動機(jī)冷卻空氣流量進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，保證渦輪在工作狀況下得到充分適宜的冷卻，保證其工作過程中的安全可靠。其主要組成部分包括汽濾、斷流活門、電磁活門、分流活門以及冷卻控制附件。除此之外，還包括監(jiān)控儀表、綜合調(diào)節(jié)器以及噴口調(diào)節(jié)器等冷卻氣流控制職能部件。其中斷流和門的主要作用是依據(jù)其上部控制氣壓的壓力大小來調(diào)節(jié)活門內(nèi)部的活塞進(jìn)行上下移動，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻空氣流量的目的。在工作過程中，由于外部流過的是外寒道的冷空氣，因此可以運(yùn)用氣流來冷卻渦內(nèi)部流過的主燃燒室氣流。此外，斷流和門只存在開或關(guān)兩種工作狀態(tài)。當(dāng)斷流和門關(guān)閉時，其活塞處于下止點(diǎn)此時，冷卻空氣流量最小，但并沒有切斷，反之當(dāng)斷流和門打開時，即活塞處在上止點(diǎn)，此時，冷卻空氣流量最大，冷卻效果最強(qiáng)。斷流活門的開閉完全由活塞上部控制氣體的壓力來決定，當(dāng)控制氣體與高壓氣體相通時，壓力最大，此時斷流，活門關(guān)閉；反之，當(dāng)控制氣體與大氣相同時，其壓力最小，此時，斷流活門打開。渦輪冷卻控制附件的主要作用是依據(jù)噴口調(diào)節(jié)器，電磁活門以及分流活門所傳達(dá)的油壓指令來判斷與控制斷流活門活塞上腔內(nèi)的氣體壓力情況，并以此控制斷流活門的開閉。空氣過濾器的功能則是去除高壓氣體中的雜質(zhì)，確保氣體質(zhì)量。

4 渦輪冷卻系統(tǒng)工作原理

當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與溫度參數(shù)達(dá)到特定的區(qū)間參數(shù)時，發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)器開始向噴口調(diào)節(jié)器的電磁活門發(fā)出斷電信號，此后，電磁活門將具有壓力的燃油作用到渦輪冷卻控制附件的壓力控制腔，腔內(nèi)壓力迫使活塞下移，最終導(dǎo)致空氣熱交換器與空氣控制壓力管路之間的氣路關(guān)閉，同時空氣控制，壓力管路與大氣之間得到連通，最終渦輪冷卻控制附件上的微動開關(guān)向發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)出渦輪冷卻系統(tǒng)接通的信號。與此相反，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作狀況不滿足冷卻接通條件時，壓力燃油被中斷活塞上移，向渦輪輸送的冷卻空氣量減少。此時，發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)器將會發(fā)出減少溫度調(diào)節(jié)的指令。除此之外，若滿足接通渦輪冷卻的任意一個條件，但發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)器卻未接收到，來自微動開關(guān)發(fā)出的冷卻接通信號則將會觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出不冷卻的信號，阻斷用油門桿操作手柄增大發(fā)動機(jī)負(fù)荷狀態(tài)的工作方式。

5 渦輪冷卻的故障檢測

一般情況下，渦輪冷卻系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)冷卻斷不開、冷卻未接通等兩種可能的故障問題。針對冷卻斷不開故障進(jìn)行檢測時，技術(shù)人員需要對發(fā)動機(jī)渦輪冷卻條件進(jìn)行判定，查驗(yàn)系統(tǒng)是否存在“渦輪冷卻接通”信號，若存在，則需重點(diǎn)檢查異常問題是否出現(xiàn)在渦輪冷卻控制附件微動開關(guān)線路。而對于冷卻未接通問題，其往往出現(xiàn)于渦輪轉(zhuǎn)速低于90%信號的狀態(tài)下。在開展故障檢查過程中，相關(guān)工作人員需要依次檢查儀器上的信號燈、發(fā)動機(jī)檢查儀上的電磁活門信號燈、電磁活門的電路以及電磁活門的供電情況等，從而根據(jù)具體的故障現(xiàn)象判斷故障狀態(tài)和位置。比如，若在對發(fā)動機(jī)儀器進(jìn)行檢查時，電磁活門信號燈不符合常規(guī)的亮滅原則，則基本可以判定故障問題，分布在發(fā)動機(jī)的調(diào)節(jié)器以及控制電磁活門的線路上，由此需要相關(guān)工作人員在展開精細(xì)化查驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行維修、解除故障。

6 結(jié)語

綜上所述，發(fā)動機(jī)渦輪冷卻系統(tǒng)對飛機(jī)的安全飛行具有重要意義。本文通過對發(fā)動機(jī)或冷卻系統(tǒng)的基本構(gòu)造、渦輪冷卻方式的介紹，對冷卻系統(tǒng)的作用原理進(jìn)行了總結(jié)，希望對航空發(fā)動機(jī)渦輪冷卻故障的預(yù)防與查驗(yàn)工作效率的提升有所幫助。