陳陣 王渝

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司,遼寧沈陽 110043)

發(fā)動機防冰系統(tǒng)淺析及展望

陳陣 王渝

(中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司,遼寧沈陽 110043)

飛機在結(jié)冰條件下飛行時,發(fā)動機進氣道前緣將結(jié)冰,進氣道結(jié)冰對發(fā)動機的影響嚴重:進氣道結(jié)冰引起流道面積減小,發(fā)動機進氣流量減少,使發(fā)動機整體性能降低。若進氣道內(nèi)的冰層脫落,跟隨發(fā)動機氣流進入發(fā)動機工作葉片,打傷發(fā)動機工作葉片,輕則葉片損傷,重則發(fā)動機停車。國內(nèi)外對航空發(fā)動機的防冰系統(tǒng)十分關(guān)注,防冰系統(tǒng)對發(fā)動機的工作安全起到重要作用。本論文主要研究航空發(fā)動機防冰系統(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)動機結(jié)冰原因和類型

發(fā)動機的結(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時形成;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低溫下形成。雨淞易在發(fā)動機靜止件上積冰,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)動機結(jié)冰會使流路氣動特性惡化、發(fā)動機質(zhì)量增加和轉(zhuǎn)子振動增大。進口導向器支板和葉片結(jié)冰比機翼結(jié)冰更嚴重,因為他們的尺寸更小。壓氣機第一級葉片結(jié)冰可能性大,特別是在無金卡導向器以及小轉(zhuǎn)速時。葉片結(jié)冰改變了葉片型面,葉片的空氣動力特性明顯惡化,流道截面面積也將減小,在個別情況下,葉片冰瘤將損壞進口導向器葉片。轉(zhuǎn)動葉片上的積冰,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,使振動增大和軸承載荷增大導致軸承損壞。

目前航空發(fā)動機采用的防冰系統(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進氣導向器,按照結(jié)冰信號自動接通防冰系統(tǒng)或用座艙內(nèi)的電門手動的接通防冰系統(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)動機結(jié)冰系統(tǒng)的氣動電磁活門、機載參數(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。當接通結(jié)冰信號器的電源時,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系統(tǒng),使結(jié)冰信號傳感器上的彈性殼體發(fā)生振動。當結(jié)冰信號傳感器殼體上的冰層增厚時,彈性殼體剛度增大,導致振動頻率增加。當振動頻率達到鑒頻器上的門值時,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)動機防冰系統(tǒng)的氣動電磁活門和機載數(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器殼體上的冰層以及形成連續(xù)的信號,當飛機通過結(jié)冰區(qū)域后,關(guān)閉加溫振動器殼體有信號延遲。(3)防冰控制附件。防冰控制附件是發(fā)動機防冰系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu),根據(jù)飛機系統(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)動機的高溫高壓空氣引到整流罩和低壓壓氣機進氣導向器,以消除冰層。(4)除冰過程。通過引氣,將高溫氣體通過進口導向器支板流入整流罩并以氣模形式排出,實現(xiàn)對整流罩、導向器支板、轉(zhuǎn)子葉片加熱,達到除冰效果。(5)缺點。防冰系統(tǒng)工作從發(fā)動機內(nèi)引氣,發(fā)動機的特性可能因此變化。例如飛機動飛行時,從發(fā)動機高壓壓氣機引氣,會引起發(fā)動機的推力減小,對現(xiàn)代渦扇發(fā)動機而言,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)動機在設(shè)計時就考慮了發(fā)動機自身防冰,在CFM56—2發(fā)動機研發(fā)過程中,對比研究了錐形和橢圓形進氣錐的防冰性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用錐形進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)動機采用錐形進氣錐,并在CFM56—3、一5發(fā)動機上采用,但使用中仍存在結(jié)冰現(xiàn)象,這就仍需要除冰,這就仍需要單獨的防冰系統(tǒng)。現(xiàn)階段發(fā)動機防冰系統(tǒng)應(yīng)包含發(fā)動機自身設(shè)計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,因為他們在無結(jié)冰情況下,不使發(fā)動機經(jīng)濟性惡化,故比較普遍使用于現(xiàn)代發(fā)動機上。防冰系統(tǒng)的存在和發(fā)展,有效的解決了因發(fā)動機結(jié)冰而影響發(fā)動機正常使用問題,保證了發(fā)動機的安全使用。

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)動機推力的前提下,實現(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,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)動機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)動機的防冰系統(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發(fā)動機防冰系統(tǒng),更有效的實現(xiàn)資源利用,并對未來發(fā)動機防冰系統(tǒng)發(fā)展提供幾種展望。

[1]付仁合,王偉.CFM56系列發(fā)動機部件技術(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.《航空燃氣渦輪發(fā)動機防冰系統(tǒng)設(shè)計原理和試驗方法》.