趙廣旭

摘 要：防冰系統(tǒng)對于發(fā)動機的安全有著至關重要的作用，一個好的防冰系統(tǒng)能夠在保證發(fā)動機安全運行的同時，不消耗發(fā)動機的工作效率，文章介紹了一些發(fā)動機結冰的相關知識以及發(fā)動機防冰系統(tǒng)的組成與工作等相關內(nèi)容。

關鍵詞：發(fā)動機；防冰；設計；組成

1 結冰的原理介紹

1.1 結冰的條件

在0℃以下大氣中存在液態(tài)水滴的條件下飛行器會發(fā)生結冰。水滴可以在負溫度下以液態(tài)形式存在似乎很奇怪。但是從熱力學的觀點來說，看上去“反自然”的這種狀態(tài)是完全可能的，它被稱作過冷狀態(tài)。水滴能夠在過冷狀態(tài)存在，是因為水滴從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時，除了要克服通常的能障之外，還要克服與表面張力所作功相關的能障。

下面我們就來看一下水滴的凍結過程。由于只有在高過飽和水蒸氣中和在非常低的溫度下（低于-60℃），才能直接由水蒸氣自然形成冰核，所以在含水滴的兩相過冷氣流中，冰粒只有在下列情況下才能形成：過冷水中有冰核均質核化，即在水滴中自然生成冰核，之后隨著冰核周圍冰的增長水滴凍結；含有被激活的外來冰核的水滴從某種過冷狀態(tài)開始凍結（異相核化）。

1.2 結冰的氣象條件

在多數(shù)情況下，飛行器在有降水的云層中飛行時會結冰。從結冰的角度看，所有的云都可分為層云和積云兩大類。

結冰發(fā)生的概率可通過一系列表征大氣條件的參數(shù)來計算，這些參數(shù)為：液態(tài)水含量或單位體積空氣含水滴水分的質量，g/m3（這里需要將液態(tài)水含量的概念與溫度或單位體積空氣含水蒸汽的質量（g/m3）的概念區(qū)分開）；溫度；水滴尺寸和水滴尺寸的分布；云層的水平范圍和垂直范圍。

上述參數(shù)的變化范圍很大，在一定的參數(shù)組合下會有最大的結冰概率。這些結冰條件在標準中有專門的研究和歸納，這些標準文件有三種用途：結冰條件的預測和記錄；防冰系統(tǒng)的設計和試驗；結冰條件的模擬（一般用于試驗）。

1.3 結冰的物理過程

過冷水滴碰到飛機表面后就開始凍結，此時水滴的軌跡由水滴和氣流的相互作用決定。水滴碰撞后馬上就會部分或全部凍結。除溫度外，云層中的液態(tài)水含量對計算水的凍結部分大小和冰瘤的形狀起著重要作用。隨著云層中液態(tài)水含量的增大，水的凍結部分會減小。

1.4 結冰對于發(fā)動機的危害

發(fā)動機在高空飛行，或者在寒冷地帶飛行的時候，發(fā)動機的入口便容易結冰，一旦發(fā)動機的空氣入口結冰，便會影響發(fā)動機的進氣條件，如果發(fā)動機的入口持續(xù)結冰，入口處的冰塊很有可能會進入發(fā)動機的進氣道，而在飛機高速飛行的時候，進入發(fā)動機進氣道的冰塊便會打傷發(fā)動機的葉片，嚴重時，會導致發(fā)動機葉片的折斷，這就會給發(fā)動機的高空飛行帶來致命的損傷，從而導致空難的發(fā)生，所以，發(fā)動機的防冰系統(tǒng)對于發(fā)動機的正常工作是十分重要的。

2 發(fā)動機防冰系統(tǒng)的附件

2.1 結冰信號器

結冰信號器用于探測氣體的結冰信號，并將信號傳給發(fā)動機防冰系統(tǒng)的起動電磁活門、機載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和座艙內(nèi)的熒光屏監(jiān)測和告警系統(tǒng)。結冰信號器由結冰信號傳感器、電子換流器和安裝框架組成。結冰信號傳感器安裝在飛機的左進氣道內(nèi)。結冰信號器的原理圖見圖1。當接通結冰信號器的電源時，電子換流器通過交流放大器和結冰信號傳感器上的電磁激勵系統(tǒng)，使結冰信號傳感器上的彈性殼體發(fā)生振動。當結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閾值時，電子換流器以27伏直流電壓的形式，輸向座艙監(jiān)控告警系統(tǒng)，發(fā)動機防冰系統(tǒng)的起動電磁活門和機載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。同時，加溫結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“結冰”信號。

為了便于檢查結冰信號器的良好性，當按壓電子換流器前面板上的“模擬”按鈕并松開，則信號燈“加溫”和“模擬”燃亮，并且按按鈕后，經(jīng)41±11秒向座艙發(fā)出“良好”的27伏直流電壓信號，經(jīng)77±22秒后該信號消除，則表明結冰信號器正常，否則說明結冰信號器有故障。

2.2 控制附件

控制附件的功用是向發(fā)動機防冰系統(tǒng)輸送經(jīng)過調節(jié)的高壓壓氣機第七級空氣；根據(jù)飛機系統(tǒng)的指令，接通或關斷防冰系統(tǒng)；向熒屏監(jiān)測告警系統(tǒng)輸送“結冰”信號。

控制附件主要由節(jié)氣門、襯筒、微動電門、活塞、柱塞、雙金屬彈簧、活門等組成。當氣動電磁活門工作時，從空氣熱交換器來的高壓壓氣機第九級熱空氣直接作用在活塞的右面，推動活塞左移，使節(jié)氣門軸轉動，打開由高壓壓氣機第七級通往防冰系統(tǒng)用氣部件的通路。當控制附件后的第七級熱空氣流量過大，使控制附件后管路的壓力增大，控制附件柱塞左邊的B腔壓力增大，推動柱塞右移，柱塞上的活門打開了活塞右邊通往大氣的通路，使活塞右移，節(jié)氣門調小空氣流量。當高壓壓氣機第七級熱空氣溫度較高時，由雙金屬片控制的彈性間隙流量調節(jié)器的轉軸旋轉，調小進氣截面，減小熱空氣流量。當從高壓壓氣機第七級來的熱空氣溫度≤120℃時，彈性間隙流量調節(jié)器處于全開狀態(tài)；當熱空氣溫度≥480℃時，彈性間隙流量調節(jié)器處于最小流量狀態(tài)。

2.3 起動電磁活門

起動電磁活門用來根據(jù)結冰信號器的指令或人工指令，接通或斷開控制附件。起動電磁活門由電磁鐵、電磁線圈、彈簧、頂桿等組成。起動電磁活門通電時，從空氣-空氣熱交換器來的熱空氣，經(jīng)過頂桿活門輸往控制附件。起動電磁活門的工作電壓是27伏直流電壓，裝在低壓壓氣機機匣上。

3 發(fā)動機防冰系統(tǒng)的工作

當裝在進氣道中的結冰信號器探測到氣體結冰時，立即向發(fā)動機防冰系統(tǒng)發(fā)出指令，氣動電磁活門通電，打開空氣-空氣熱交換器通往控制附件活塞右邊的氣路，活塞左移，節(jié)氣門打開。于是從高壓壓氣機第七級來的熱空氣，經(jīng)彈性間隙流量調節(jié)器、節(jié)氣門輸往發(fā)動機進口導流器和整流罩。熱空氣從整流罩前部流出，在整流罩表面形成氣膜，避免了結冰的發(fā)生；同樣，熱空氣從進口導流葉片的長方形窗口流出，防止結冰發(fā)生。當活塞運動到左極限時，斷開微動電門，微動電門向機載數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和熒屏監(jiān)測告警系統(tǒng)發(fā)出“結冰”信號，以示發(fā)動機防冰系統(tǒng)開始工作。

當防冰系統(tǒng)使用的高壓壓氣機第七級空氣溫度升高時，控制附件內(nèi)的彈性間隙流量調節(jié)器調小氣體流量，反之，增加氣體流量。當防冰系統(tǒng)使用的熱空氣壓力過大時，通過控制附件上的排泄活門，把壓力調到規(guī)定范圍內(nèi)。

4 結束語

文章從發(fā)動機結冰入手，介紹了發(fā)動機結冰的原理以及過程，以及結冰對發(fā)動機產(chǎn)生的危害，并詳細的介紹了發(fā)動機防冰系統(tǒng)的組成以及工作過程，為了解發(fā)動機結冰及如何防止結冰提供了一定的幫助。