航空发动机涡轮冷却原理分析

航空发动机涡轮冷却原理分析

作者：张金璐

来源：《科技资讯》2018年第14期

摘要：燃气涡轮技术包括涡轮气动设计技术、传热分析，冷却技术、工艺材料技术和实验技术等许多技术，它是一个高、新、精技术的综合体。本文介绍了航空发动机涡轮冷却控制系统及其故障检查方法，该系统功用实在接近发动机最大工作状态下，提供和撤销冷却涡轮用的附加空气流量，保证涡轮正常工作。

关键词：冷却控制附件冷却空气涡轮

中图分类号：V263.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

1 典型的冷却方式

目前燃气轮机采用的冷却而方式有对流冷却、冲击冷却、气膜冷却、气膜-对流冷却以及对流-冲击-气膜相结合的复合冷却方式，笔者就其中2种加以粗浅分析。

气膜冷却：冷却空气通过物体壁面上按一定方式分布的孔或缝隙流出，在高温燃气和物体壁面形成一层低温隔热气膜以减少高温燃气对物体的换热。这是一种在被冷却的涡轮叶片表面上排气的冷却系统，当温度大于1500-1600K时，涡轮叶片均采用气膜冷却。该冷却效果可达650℃以上，是现代涡轮高温部件的主要冷却方式。

对流冷却：冷却气流流过被冷却的物体表面时，通过对流换热，带走部分热量，使其降温的冷却方式。这是最简单的冷却方式，最大冷却效果可达250℃以上。

冲击冷却：又称为喷射冷却，是冷却气流垂直冲击被冷却物体表面的对流冷却，属于对流冷却的一个分支。冲击冷却比一般对流冷却效果高出好几倍。冲击冷却大多用来冷却受热最严重而冷却条件又差的领域。

2 涡轮冷却目的

提高涡轮前温度，以提高发动机性能。

在涡轮前温度给定的情况下，降低零件温度到允许的范围内，以保证这些零件具有必要的机械强度。

使零件内温度场均匀，以减小零件中的热应力，以涡轮盘为例，由于沿半径温度不均匀造成的热应力很大，可达1000-3000千克力/厘米2，甚至更大。

将零件与燃气隔离，避免燃气对零件工作表面的腐蚀。

由于零件的冷却，有可能采用廉价的合金钢来代替昂贵的高温合金（镍基合金、钴基合金等），以降低发动机制造成本。

3 典型发动机涡轮冷却系统

该型发动机涡轮冷却控制系统使用了气膜-对流冷却方式，其功用是再根据发动机状态的需要，提供和撤销冷却涡轮用的附加空气流量。冷却空气取自发动机压气机和风扇。在较高的燃气温度下接通附加冷却空气，把涡轮受热零件吸收的部分热量及时散发出去，有效的冷却涡轮各个部件，以保证发动机在正常寿命期限内可靠地工作。当飞机在小耗油状态下或在大航程状态下，断开附加的冷却空气可以提高发动机的效率，降低燃油消耗率。

3.1发动机涡轮冷却工作路线

涡轮冷却系的统通过不同气路对涡轮进行冷却，涡轮冷却控制系统是根据发动机状态不同，调节第其中一条或几条气路的冷却空气流量的，而其他气路的冷却空气流量是不可调节的。这些冷却空气来自发动机内、外涵道，根据零部件温度高低分布，按各个气路对涡轮进行冷却。

例如不参与燃烧的主燃烧室二股气流，用来冷却高压涡轮导向器内环、导向叶片的内外缘板以及导向叶片的前半部。具体流动路线是燃烧室火焰筒内、外侧的二股气流分别冷却导向叶片的内外缘板后，从上、下两个方向流入导向叶片的前腔，对导向叶片内壁进行冷却后，从导向叶片前腔的冷却孔流出来，在叶片表面形成气膜冷却，汇入燃气流。

3.2发动机涡轮冷却控制系统

功用：冷却控制系统的功用是根据发动机的工作状态，调节冷却空气流量，保证涡轮正常工作。

组成：冷却控制系统由断流活门、冷却控制附件、汽滤、电磁活门和分流活门组成。另外，喷口调节器、综合调节器和监控仪表作为控制冷却气流的职能部件。

断流活门：断流活门根据其上部的控制气体压力大小，来控制断流活门内的活塞移动，从而控制冷却空气流量的大小。热交换器的外部流过的是外涵道空气，内部流过的是主燃烧室二股气流，用外涵道的气流冷却涡轮的二股气流散热。断流活门只有两个工作状态，即开和关；当处在关闭位置时，断流活门活塞在下极限位置，冷却空气流量最小，但冷却空气并没有完全切断；当断流活门处在打开位置时，断流活门内的活塞在上极限位置，冷却涡轮的空气流量最

大。断流活门的开关，由活塞上部的控制气体压力大小决定。当控制气体压力大（与高压气体相通）断流活门关闭；控制气体压力小（与大气相通），断流活门打开。

涡轮冷却控制附件：涡轮冷却控制附件根据喷口调节器电磁活门和分流活门的油压指令，控制断油活门活塞上腔的气体压力大小，控制断流活门的开关。涡轮冷却控制附件由壳体、活塞、限流嘴、微动开关等组成。

空气滤：空气滤的功用是过滤输往涡轮冷却控制附件和喷口气压作动筒高压气体中的杂质。

4 涡轮冷却系统工作原理

当发动机转速、温度参数达到设定值时，发动机调节器向喷口调机器的电磁活门发出断电信号，电磁活门工作，具有控制压力的燃油作用到涡轮冷却控制附件的控制腔。如果转速和温度信号都不满足，但油门位置满足时，定压活门来油经分流活门作用到涡轮冷却控制附件的控制腔。于是，活塞在压力作用下下移，关闭空气热交换器到空气控制压力管路的气路，同时打开空气控制压力管路到大气的通路。与此同时，涡轮冷却控制附件上的微动开关协动，向发动机调机器输送涡轮冷却系统接通信号。

当发动机在不满足冷却接通条件下工作时，发动机调节器发出一个向电磁活门供电的信号。此时，从喷口调机器向涡轮冷却控制附件供给控制压力的燃油被中断，并且从空气热交换器来的一部分空气通过冷却控制附件进入到断流活门的活门腔内，活塞在气压作用下关闭，减小输往涡轮的冷去空气流量。至此发动机调节器传输一个把燃气温度调节通道重新调整到低数值的指令。

如果满足接通涡轮冷却条件之一，而微动开关未发出涡轮冷却接通信号，则发动机监控报警系统发出一个“不冷却”信号。并阻断了用油门杆操作手柄方式增大发动机状态的可能性。

5 涡轮冷却的故障模式及检查要点

冷却断不开：当发动机满足切断涡轮冷却条件时，参数记录系统仍显示“涡轮冷却接通”信号，此时应检查涡轮冷却控制附件微动开关线路是否正常。

涡轮冷却未接通：例如出现转速低于90%信号时，此信息表示在发动机满足接通涡轮冷却条件的情况下，冷却系统实际未接通。此故障可以做如下检查：根据参数记录系统数据，分析报警信号的时机，判断是否满足接通涡轮冷却的转速、温度和油门条件。如果不满足接通条件，则故障可能是发动机调节器或其线路问题；连接发动机检查仪器，检查从发动机调节器向执行机构发送指令（转速、燃气温度指令）的通过情况。①如果检查仪器上的“无冷却”信号灯是按规定正常亮、灭的，可断定发动机调节器已经发出接通或断开涡轮冷却的信号。②发动机