燃气涡轮发动机-空气系统（课件）
燃气涡轮发动机
林兆福
第13章
空气系统
13.1 发动机内部空气系统和飞机气源系统.
指那些对发动机推力的产生无直接影响的空气流。
功能：.
发动机的内部和附件装置的冷却；
轴承腔封严；
控制轴承的轴向载荷；
控制涡轮叶片的叶尖间隙；
发动机启动；
发动机防冰；
该系统还为飞机使用要求提供引气，用于飞机空调、增 压、机翼防冰、探头加温等。
13.1 发动机内部空气系统和飞机气源系统.
来源:.
空气从风扇、压气机的中间级和高压级引出，以不同的 温度和压力满足特定的功能要求。
飞机用气还可从辅助动力装置的引气。
在地面时从地面气源得到，它们都通到飞机气源总管。
组成: .
发动机引气系统包括:钢管道、单向活门、调节和切断活门， 压力调节器和空气冷却系统。
工作:.
发动机接受压力空气，调节它的压力和温度，并引导其通过引 气切断活门到气源总管。
气源总管包括分配、隔离、空气清洁和压力指示部件。
它的气源来自发动机、辅助动力装置或地面气源车的压力源， 并且按需要引导到空调、热防冰或发动机启动系统。
管道是钛合金结构。
空气系统－部件冷却
13.2 发动机主要部件冷却.
需要冷却的主要区域是燃烧室和涡轮。
冷却空气用于控制压气机轴和盘的温度，既可 以对其冷却，也可以为它们加热。
保证了温度的均匀分布，
并通过控制热膨胀，保持最小的叶尖和封严间 隙，改善了发动机效率。
空气系统－部件冷却
燃烧室冷却.
燃气温度太高，不适于进入涡轮导向器叶片。未用 于燃烧的空气，占总空气流量相当大的部分，被引 入火焰筒。这部分空气在稀释区（掺混区）降低燃 气温度，然后再进入涡轮。
借助于二股流气沿火焰筒壁的内表面流动，形成一 层隔热空气膜，将火焰筒壁面与热燃气隔开。这部 分空气约占总进气量的3/4。
涡轮冷却的原因及意义:.
高的热效率取决于高的涡轮进口温度，它受涡轮叶片和导向器 材料的限制。
对这些部件进行连续不断的冷却可以允许它们的环境工作温度 超过材料的熔点而不影响叶片和导向器的整体性。
从涡轮叶片向涡轮盘的热传导要求对轮盘加以冷却，从而防止 热疲劳和不可控的膨胀率和收缩率。
涡轮叶片的寿命：涡轮导向叶片和涡轮叶片的寿命不仅取决于 它们的结构形式，而且还与冷却方法有关，因此内部流道的气 流设计很重要。
单通道内部对流冷却具有很大的适用效果，多通道的内部冷却涡 轮叶片，带外部气膜冷却冲击式冷却也已采
轴承腔冷却.
轴承腔需要冷却吗?.
在正常情况下,不需要用空气来冷却发动机的轴承腔,
因为滑油系统冷却轴承腔来说是足够的,
而且只要有可能,轴承总是安排在发动机较冷的部位。
在需要冷却的情况下，好的做法是设一个双层壁的 轴承座，让冷却空气通入其中间的空腔。空气还用 于轴承滑油腔增压。
封严.
功用：.
封严件用于防止滑油从发动机轴承腔漏出，
控制冷却空气流和防止主气流的燃气进入涡轮盘空腔。
封严方法的选择：.
在燃气涡轮发动机上使用了多种封严方法，选择何种方法 取决于周围的温度和压力、可磨损性、发热量、重量、可 用的空间、易于制造及易于安装和拆卸。
轴承腔封严空气来自压气机。
附件冷却 发动机的一些附件会产生大量的热，其中发电机即是一例。这些附件常 常需要有它们自己的冷却通路。此外，发动机机匣、点火导线也需要空 气冷却。机匣冷却来自外界空气。
13.3 压气机稳定性控制.
不稳定工作:.
压气机特性告诉我们，无论在任何转速下，不断地减小进入压气 机的空气流量，到一定的程度，压气机都会进入到不稳定工作状 态。
失速：在压气机转速保持不变的情况下，由于某种原因进入压气 机的空气流量减少，造成叶轮进口攻角过大，在叶背处发生气流 分离的现象叫失速。
喘振：发生在压气机轴线方向上的低频高振幅的振荡现象叫喘 振。
防喘采用的主要措施有：.
中间级放气，压气机静子叶片可调，采用多转子。
压气机空气流量控制（防喘原理）.
也可以说压气机防喘措施主要有采用中间级放 气，压气机静子叶片可调和采用多转子，即通过 在非设计状态下，改变速度三角形的绝对速度的 轴向分量、绝对速度的切向分量和圆周速度，从 而使气流相对速度对转子叶片的迎角同设计状态 相近，避免叶片失速。
13.3 压气机稳定性控制.
压气机喘振的探测目前是依据压气机出口压力的下降率或转子的减速 率来判断。一旦探测出发生喘振，可自动打开放气活门，可调静子叶 片在关的方向上再调几度，瞬时减少供油，提供高能点火以防止燃烧 室熄火力图从喘振状态恢复过来。
压气机的喘振裕度：即压气机共同工作线与喘振边界线之间的距离叫 喘振裕度。为避免压气机进入喘振区，压气机应具有一定的喘振裕 度。
喘振线和工作线随许多因素变化，它们都不是固定的。
发动机喘振常出现的阶段有启动、加速、减速和反推。
对于双转子轴流式压气机，加速时高压转子容易进入喘振区；减速时 低压转子容易进入喘振区。
13.3 压气机稳定性控制.
放气活门（VBV）的工作:.
放气活门打开放掉一部分压气机中间级的空气。这一般在低功率 和迅速减速时，一旦脱离喘振区，放气活门关闭。
活门关闭过早或过晚均不利，关闭过早发动机没有脱离喘振范 围，仍可能喘振；关闭过晚，放掉空气，造成浪费。
关闭转速还受大气温度变化，大气温度高，关闭转速应增大。
新型发动机上采用可调放气活门（VBV），活门开度是可 变的，根据发动机状态参数计算决定开、关和开度大小。
活门实际位置通过反馈钢索传回控制器与要求位置比较。
13.3 压气机稳定性控制.
可调静子叶片（VSV）的工作:.
可调静子叶片（VSV）是将高压压气机的进口导向叶片和前几级静子叶片 做成可调的，当压气机转速从其设计值往下降低时，静子叶片逐渐关小， 以使空气流到后面的转子叶片上的角度合适。当压气机转速增加时，静子 叶片角度逐渐开大。
可调静子叶片的转角根据发动机参数计算，其输出控制作动器的移动，再 通过摇臂组件、主杆、连杆等传到作动环，作动环使连到它上面的所有叶 片同时转角。
叶片实际位置通过反馈钢索传回控制器与要求位置比较。
保证反馈钢索准确传送实际位置是非常必要的。反馈钢索要定期的或 结合故障查找进行检查和调整。按照维护手册的程序进行如行程检 查、阻力检查和校装。
13.4 引气防冰.
结冰条件和位置:.
当飞机穿越含有过冷水珠的云层或在有冻雾的地面工作 时，发动机和进气道前缘处会结冰。
危害（为什麽要防冰）:.
结冰会大大限制通过发动机的空气流量，从而引起发动 机性能损失并可能会使发动机发生故障。
脱落下来的冰块被吸入发动机或撞击进气道吸音材料衬 层时可能造成损坏。
13.4 对防冰系统的要求.
防冰系统必须在该飞机的使用要求内有效地防止冰的生 成。
防冰系统必须可靠，
易于维护，
不会过分增加重量，
在工作中不会引起发动机严重的性能损失。
有两种基本的防冰方法。.
涡轮喷气发动机一般采用热空气防冰。
涡轮螺桨发动机采用电加温或热空气与电加温混合 型。
防冰可通过热滑油沿进气道周围循环来补充热量。
热空气系统在可能会结冰的地方为发动机提供表面 加温。
防冰的部位有:涡轮喷气发动机的防冰部位有进 气整流罩，前整流锥和压气机的进气导向器。
防冰的热空气.
防冰系统的热空气通常取自高压压气机，
通过调节活门用导管输至需要防冰的部件。
进口整流罩防冰系统用过的空气可排入压气机 进口或排出机外。
工作：调节活门由人工选择电磁作动或根据飞 机防冰探测系统的信号自动作动。管道上可有 压力、温度传感器监视防冰热空气的温度和压 力，一旦超限给出信号。
空 气 系 统 － 防冰
空气系统－防冰
空气系统－涡轮间隙控制
13.5 涡轮间隙控制.
目的：为了减少涡轮叶片叶尖和机匣之间间隙，减少 漏气损失，提高发动机性能。
新型发动机上对高压涡轮乃至低压涡轮实施叶尖间隙 主动控制，目的是使叶片叶尖和机匣即不接触而且间 隙最佳。
方法是控制涡轮机匣的膨胀量与叶片不同温度下的伸 长量相一致。为此引入风扇或压气机不同级的空气进 入涡轮罩支撑。
涡轮间隙控制活门的工作由控制器给出信号或由计算 机计算通过电液伺服活门控制。
第13章 空气系统
END
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