發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)淺析及展望

陳陣 王渝

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110043)

發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)淺析及展望

陳陣 王渝

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110043)

飛機(jī)在結(jié)冰條件下飛行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道前緣將結(jié)冰,進(jìn)氣道結(jié)冰對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響嚴(yán)重:進(jìn)氣道結(jié)冰引起流道面積減小,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量減少,使發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能降低。若進(jìn)氣道內(nèi)的冰層脫落,跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片,打傷發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片,輕則葉片損傷,重則發(fā)動(dòng)機(jī)停車。國內(nèi)外對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的防冰系統(tǒng)十分關(guān)注,防冰系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作安全起到重要作用。本論文主要研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)的工作原理和未來發(fā)展方向。

結(jié)冰原因 結(jié)冰信號器 工作原理

1 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰原因和類型

發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)冰物通常分為雨淞和結(jié)晶冰兩類:前者清澈,質(zhì)地堅(jiān)硬,在空氣中具有較濃的水汽和大水滴情況下在溫度低于但接近冰點(diǎn)時(shí)形成;后者為牛奶色的白冰,在空氣中具有低水汽含量和小液滴時(shí)低溫下形成。雨淞易在發(fā)動(dòng)機(jī)靜止件上積冰,而結(jié)晶冰容易在轉(zhuǎn)子件上形成。

2 防冰系統(tǒng)工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰會(huì)使流路氣動(dòng)特性惡化、發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量增加和轉(zhuǎn)子振動(dòng)增大。進(jìn)口導(dǎo)向器支板和葉片結(jié)冰比機(jī)翼結(jié)冰更嚴(yán)重,因?yàn)樗麄兊某叽绺　簹鈾C(jī)第一級葉片結(jié)冰可能性大,特別是在無金卡導(dǎo)向器以及小轉(zhuǎn)速時(shí)。葉片結(jié)冰改變了葉片型面,葉片的空氣動(dòng)力特性明顯惡化,流道截面面積也將減小,在個(gè)別情況下,葉片冰瘤將損壞進(jìn)口導(dǎo)向器葉片。轉(zhuǎn)動(dòng)葉片上的積冰,由于離心力的作用可以自然脫落,但其脫落是不均勻的,因而破壞轉(zhuǎn)子平衡,使振動(dòng)增大和軸承載荷增大導(dǎo)致軸承損壞。

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用的防冰系統(tǒng)類型和工作原理見表1。

以下簡述空氣加熱系統(tǒng)工作原理:

空氣加熱系統(tǒng)的功用是用熱氣加溫整流罩和低壓壓氣機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)向器,按照結(jié)冰信號自動(dòng)接通防冰系統(tǒng)或用座艙內(nèi)的電門手動(dòng)的接通防冰系統(tǒng)。

(1)觸發(fā)裝置—結(jié)冰信號器。結(jié)冰信號器用于探測氣體的結(jié)冰信號,并將信號傳給發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰系統(tǒng)的氣動(dòng)電磁活門、機(jī)載參數(shù)記錄系統(tǒng)和座艙內(nèi)的監(jiān)控警告系統(tǒng)。結(jié)冰信號器由結(jié)冰信號傳感器、電子換流器和安裝框架組成。當(dāng)接通結(jié)冰信號器的電源時(shí),電子換流器通過交流放大器和結(jié)冰信號傳感器上的電磁激勵(lì)系統(tǒng),使結(jié)冰信號傳感器上的彈性殼體發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)結(jié)冰信號傳感器殼體上的冰層增厚時(shí),彈性殼體剛度增大,導(dǎo)致振動(dòng)頻率增加。當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到鑒頻器上的門值時(shí),電子換流器以直流電壓形式,輸向座艙監(jiān)控告警系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)的氣動(dòng)電磁活門和機(jī)載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。(2)防冰工作原理。結(jié)冰信號器收到結(jié)冰信號或者座艙給出開關(guān)信號,接通防冰電磁閥開始工作,加溫結(jié)冰信號傳感器振動(dòng)器殼體以及其支架,以去除冰層,并在電子換流器的前面板上顯示“加溫”和“結(jié)冰”信號。為了有效地清除振動(dòng)器殼體上的冰層以及形成連續(xù)的信號,當(dāng)飛機(jī)通過結(jié)冰區(qū)域后,關(guān)閉加溫振動(dòng)器殼體有信號延遲。(3)防冰控制附件。防冰控制附件是發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)的指令,接通或關(guān)斷防冰系統(tǒng),如果結(jié)冰信號器發(fā)出結(jié)冰信號,防冰控制附件打開,將發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫高壓空氣引到整流罩和低壓壓氣機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)向器,以消除冰層。(4)除冰過程。通過引氣,將高溫氣體通過進(jìn)口導(dǎo)向器支板流入整流罩并以氣模形式排出,實(shí)現(xiàn)對整流罩、導(dǎo)向器支板、轉(zhuǎn)子葉片加熱,達(dá)到除冰效果。(5)缺點(diǎn)。防冰系統(tǒng)工作從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)引氣,發(fā)動(dòng)機(jī)的特性可能因此變化。例如飛機(jī)動(dòng)飛行時(shí),從發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)引氣,會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的推力減小,對現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言,即使引少量的氣也是不允許的。

表1

3 防冰系統(tǒng)存在分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)自身防冰,在CFM56—2發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中,對比研究了錐形和橢圓形進(jìn)氣錐的防冰性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用錐形進(jìn)氣錐能大大減少錐面上冰的形成和積累,甚至可以不采取任何防冰和除冰措施。于是CFM56—2發(fā)動(dòng)機(jī)采用錐形進(jìn)氣錐,并在CFM56—3、一5發(fā)動(dòng)機(jī)上采用,但使用中仍存在結(jié)冰現(xiàn)象,這就仍需要除冰,這就仍需要單獨(dú)的防冰系統(tǒng)。現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)應(yīng)包含發(fā)動(dòng)機(jī)自身設(shè)計(jì)防冰和采用防冰系統(tǒng),防冰系統(tǒng)通常是長期和周期工作,后者適合于絕大多數(shù)情況,因?yàn)樗麄冊跓o結(jié)冰情況下,不使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性惡化,故比較普遍使用于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)上。防冰系統(tǒng)的存在和發(fā)展,有效的解決了因發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰而影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用問題,保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全使用。

4 防冰系統(tǒng)展望

防冰系統(tǒng)的發(fā)展方向是在減小能量損失和減小發(fā)動(dòng)機(jī)推力的前提下,實(shí)現(xiàn)防冰效果。具體發(fā)展方向可分為以下幾種:(1)電渦流防冰系統(tǒng),通過電力系統(tǒng)產(chǎn)生渦流,利用渦流產(chǎn)生的排斥力,是部件表面膨脹,破碎并清除結(jié)冰。(2)采用記憶材料的防冰系統(tǒng),通過加熱由記憶材料制成部件時(shí),它改變自己的尺寸,破碎結(jié)冰。(3)使用碳纖維鎳金屬鍍層的加熱系統(tǒng),通過用極薄、及輕的碳纖維鎳金屬鍍層,形成高密度的熱流,實(shí)現(xiàn)破冰。

以上方法的發(fā)展將更加有利于減少能耗,對發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能提升有很大幫助。

5 結(jié)語

本論文淺析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的防冰系統(tǒng)工作原理和現(xiàn)階段的現(xiàn)狀,在使用過程中不同存在不同的缺陷,讓大家了解了防冰系統(tǒng)工作原理,只有通過不斷的改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng),更有效的實(shí)現(xiàn)資源利用,并對未來發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)發(fā)展提供幾種展望。

[1]付仁合,王偉.CFM56系列發(fā)動(dòng)機(jī)部件技術(shù)綜述.

[2]A.H.安東諾夫,H.K.阿克謝諾夫,A.B.戈里亞切夫,C.B.奇瓦諾夫著.《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)防冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和試驗(yàn)方法》.