航空發動機渦輪冷卻原理分析

張金璐

摘 要：燃氣渦輪技術包括渦輪氣動設計技術、傳熱分析，冷卻技術、工藝材料技術和實驗技術等許多技術，它是一個高、新、精技術的綜合體。本文介紹了航空發動機渦輪冷卻控制系統及其故障檢查方法，該系統功用實在接近發動機最大工作狀態下，提供和撤銷冷卻渦輪用的附加空氣流量，保證渦輪正常工作。

關鍵詞：冷卻控制附件 冷卻空氣 渦輪

中圖分類號：V263.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

1 典型的冷卻方式

目前燃氣輪機采用的冷卻而方式有對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻、氣膜-對流冷卻以及對流-沖擊-氣膜相結合的復合冷卻方式，筆者就其中2種加以粗淺分析。

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

對流冷卻：冷卻氣流流過被冷卻的物體表面時，通過對流換熱，帶走部分熱量，使其降溫的冷卻方式。這是最簡單的冷卻方式，最大冷卻效果可達250℃以上。

沖擊冷卻：又稱為噴射冷卻，是冷卻氣流垂直沖擊被冷卻物體表面的對流冷卻，屬于對流冷卻的一個分支。沖擊冷卻比一般對流冷卻效果高出好幾倍。沖擊冷卻大多用來冷卻受熱最嚴重而冷卻條件又差的領域。

2 渦輪冷卻目的

提高渦輪前溫度，以提高發動機性能。

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，以保證這些零件具有必要的機械強度。

使零件內溫度場均勻，以減小零件中的熱應力，以渦輪盤為例，由于沿半徑溫度不均勻造成的熱應力很大，可達1000-3000千克力/厘米2，甚至更大。

將零件與燃氣隔離，避免燃氣對零件工作表面的腐蝕。

由于零件的冷卻，有可能采用廉價的合金鋼來代替昂貴的高溫合金（鎳基合金、鈷基合金等），以降低發動機制造成本。

3 典型發動機渦輪冷卻系統

該型發動機渦輪冷卻控制系統使用了氣膜-對流冷卻方式，其功用是再根據發動機狀態的需要，提供和撤銷冷卻渦輪用的附加空氣流量。冷卻空氣取自發動機壓氣機和風扇。在較高的燃氣溫度下接通附加冷卻空氣，把渦輪受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，有效的冷卻渦輪各個部件，以保證發動機在正常壽命期限內可靠地工作。當飛機在小耗油狀態下或在大航程狀態下，斷開附加的冷卻空氣可以提高發動機的效率，降低燃油消耗率。

3.1發動機渦輪冷卻工作路線

渦輪冷卻系的統通過不同氣路對渦輪進行冷卻，渦輪冷卻控制系統是根據發動機狀態不同，調節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節的。這些冷卻空氣來自發動機內、外涵道，根據零部件溫度高低分布，按各個氣路對渦輪進行冷卻。

例如不參與燃燒的主燃燒室二股氣流，用來冷卻高壓渦輪導向器內環、導向葉片的內外緣板以及導向葉片的前半部。具體流動路線是燃燒室火焰筒內、外側的二股氣流分別冷卻導向葉片的內外緣板后，從上、下兩個方向流入導向葉片的前腔，對導向葉片內壁進行冷卻后，從導向葉片前腔的冷卻孔流出來，在葉片表面形成氣膜冷卻，匯入燃氣流。

3.2發動機渦輪冷卻控制系統

功用：冷卻控制系統的功用是根據發動機的工作狀態，調節冷卻空氣流量，保證渦輪正常工作。

組成：冷卻控制系統由斷流活門、冷卻控制附件、汽濾、電磁活門和分流活門組成。另外，噴口調節器、綜合調節器和監控儀表作為控制冷卻氣流的職能部件。

斷流活門：斷流活門根據其上部的控制氣體壓力大小，來控制斷流活門內的活塞移動，從而控制冷卻空氣流量的大小。熱交換器的外部流過的是外涵道空氣，內部流過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。斷流活門只有兩個工作狀態，即開和關；當處在關閉位置時，斷流活門活塞在下極限位置，冷卻空氣流量最小，但冷卻空氣并沒有完全切斷；當斷流活門處在打開位置時，斷流活門內的活塞在上極限位置，冷卻渦輪的空氣流量最大。斷流活門的開關，由活塞上部的控制氣體壓力大小決定。當控制氣體壓力大（與高壓氣體相通）斷流活門關閉；控制氣體壓力小（與大氣相通），斷流活門打開。

渦輪冷卻控制附件：渦輪冷卻控制附件根據噴口調節器電磁活門和分流活門的油壓指令，控制斷油活門活塞上腔的氣體壓力大小，控制斷流活門的開關。渦輪冷卻控制附件由殼體、活塞、限流嘴、微動開關等組成。

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

4 渦輪冷卻系統工作原理

當發動機轉速、溫度參數達到設定值時，發動機調節器向噴口調機器的電磁活門發出斷電信號，電磁活門工作，具有控制壓力的燃油作用到渦輪冷卻控制附件的控制腔。如果轉速和溫度信號都不滿足，但油門位置滿足時，定壓活門來油經分流活門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，關閉空氣熱交換器到空氣控制壓力管路的氣路，同時打開空氣控制壓力管路到大氣的通路。與此同時，渦輪冷卻控制附件上的微動開關協動，向發動機調機器輸送渦輪冷卻系統接通信號。

當發動機在不滿足冷卻接通條件下工作時，發動機調節器發出一個向電磁活門供電的信號。此時，從噴口調機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的一部分空氣通過冷卻控制附件進入到斷流活門的活門腔內，活塞在氣壓作用下關閉，減小輸往渦輪的冷去空氣流量。至此發動機調節器傳輸一個把燃氣溫度調節通道重新調整到低數值的指令。

如果滿足接通渦輪冷卻條件之一，而微動開關未發出渦輪冷卻接通信號，則發動機監控報警系統發出一個“不冷卻”信號。并阻斷了用油門桿操作手柄方式增大發動機狀態的可能性。

5 渦輪冷卻的故障模式及檢查要點

冷卻斷不開：當發動機滿足切斷渦輪冷卻條件時，參數記錄系統仍顯示“渦輪冷卻接通”信號，此時應檢查渦輪冷卻控制附件微動開關線路是否正常。

渦輪冷卻未接通：例如出現轉速低于90%信號時，此信息表示在發動機滿足接通渦輪冷卻條件的情況下，冷卻系統實際未接通。此故障可以做如下檢查：根據參數記錄系統數據，分析報警信號的時機，判斷是否滿足接通渦輪冷卻的轉速、溫度和油門條件。如果不滿足接通條件，則故障可能是發動機調節器或其線路問題；連接發動機檢查儀器，檢查從發動機調節器向執行機構發送指令（轉速、燃氣溫度指令）的通過情況。①如果檢查儀器上的“無冷卻”信號燈是按規定正常亮、滅的，可斷定發動機調節器已經發出接通或斷開渦輪冷卻的信號。②發動機檢查儀上的電磁活門信號燈與“無冷卻”信號燈亮、滅應該是相反的，否則可能出在發動機調節器及其控制電磁活門的線路上。③對電磁活門的電路進行檢查：電阻應在規定值內。④再檢查電磁活門的供電情況，檢查飛機系統是否可以正常向電磁活門供電。

6 結語

本文介紹的內容使用于典型的發動機渦輪冷卻系統，對冷卻系統及其控制系統做了一部分總結，并提供了在出現冷卻系統故障時幾點參考意見。

參考文獻

[1]《某型發動機培訓教材》[M].空軍工程學院.1998.

[2]繳瑞海.某型航空發動機渦輪冷卻系統原理及典型故障分析[J].科技創新與應用，2015（26）：47.