发动机防冰系统浅析及展望

2014-12-10陈阵王渝

中国科技纵横 2014年12期

关键词：结冰壳体原理

陈阵王渝

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110043)

发动机防冰系统浅析及展望

陈阵王渝

(中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110043)

飞机在结冰条件下飞行时,发动机进气道前缘将结冰,进气道结冰对发动机的影响严重:进气道结冰引起流道面积减小,发动机进气流量减少,使发动机整体性能降低。若进气道内的冰层脱落,跟随发动机气流进入发动机工作叶片,打伤发动机工作叶片,轻则叶片损伤,重则发动机停车。国内外对航空发动机的防冰系统十分关注,防冰系统对发动机的工作安全起到重要作用。本论文主要研究航空发动机防冰系统的工作原理和未来发展方向。

结冰原因结冰信号器工作原理

1 发动机结冰原因和类型

发动机的结冰物通常分为雨淞和结晶冰两类:前者清澈,质地坚硬,在空气中具有较浓的水汽和大水滴情况下在温度低于但接近冰点时形成;后者为牛奶色的白冰,在空气中具有低水汽含量和小液滴时低温下形成。雨淞易在发动机静止件上积冰,而结晶冰容易在转子件上形成。

2 防冰系统工作原理

发动机结冰会使流路气动特性恶化、发动机质量增加和转子振动增大。进口导向器支板和叶片结冰比机翼结冰更严重,因为他们的尺寸更小。压气机第一级叶片结冰可能性大,特别是在无金卡导向器以及小转速时。叶片结冰改变了叶片型面,叶片的空气动力特性明显恶化,流道截面面积也将减小,在个别情况下,叶片冰瘤将损坏进口导向器叶片。转动叶片上的积冰,由于离心力的作用可以自然脱落,但其脱落是不均匀的,因而破坏转子平衡,使振动增大和轴承载荷增大导致轴承损坏。

目前航空发动机采用的防冰系统类型和工作原理见表1。

以下简述空气加热系统工作原理:

空气加热系统的功用是用热气加温整流罩和低压压气机进气导向器,按照结冰信号自动接通防冰系统或用座舱内的电门手动的接通防冰系统。

(1)触发装置—结冰信号器。结冰信号器用于探测气体的结冰信号,并将信号传给发动机结冰系统的气动电磁活门、机载参数记录系统和座舱内的监控警告系统。结冰信号器由结冰信号传感器、电子换流器和安装框架组成。当接通结冰信号器的电源时,电子换流器通过交流放大器和结冰信号传感器上的电磁激励系统,使结冰信号传感器上的弹性壳体发生振动。当结冰信号传感器壳体上的冰层增厚时,弹性壳体刚度增大,导致振动频率增加。当振动频率达到鉴频器上的门值时,电子换流器以直流电压形式,输向座舱监控告警系统,发动机防冰系统的气动电磁活门和机载数据记录系统。(2)防冰工作原理。结冰信号器收到结冰信号或者座舱给出开关信号,接通防冰电磁阀开始工作,加温结冰信号传感器振动器壳体以及其支架,以去除冰层,并在电子换流器的前面板上显示“加温”和“结冰”信号。为了有效地清除振动器壳体上的冰层以及形成连续的信号,当飞机通过结冰区域后,关闭加温振动器壳体有信号延迟。(3)防冰控制附件。防冰控制附件是发动机防冰系统的执行机构,根据飞机系统的指令,接通或关断防冰系统,如果结冰信号器发出结冰信号,防冰控制附件打开,将发动机的高温高压空气引到整流罩和低压压气机进气导向器,以消除冰层。(4)除冰过程。通过引气,将高温气体通过进口导向器支板流入整流罩并以气模形式排出,实现对整流罩、导向器支板、转子叶片加热,达到除冰效果。(5)缺点。防冰系统工作从发动机内引气,发动机的特性可能因此变化。例如飞机动飞行时,从发动机高压压气机引气,会引起发动机的推力减小,对现代涡扇发动机而言,即使引少量的气也是不允许的。

表1

3 防冰系统存在分析

发动机在设计时就考虑了发动机自身防冰,在CFM56—2发动机研发过程中,对比研究了锥形和椭圆形进气锥的防冰性能,结果发现,采用锥形进气锥能大大减少锥面上冰的形成和积累,甚至可以不采取任何防冰和除冰措施。于是CFM56—2发动机采用锥形进气锥,并在CFM56—3、一5发动机上采用,但使用中仍存在结冰现象,这就仍需要除冰,这就仍需要单独的防冰系统。现阶段发动机防冰系统应包含发动机自身设计防冰和采用防冰系统,防冰系统通常是长期和周期工作,后者适合于绝大多数情况,因为他们在无结冰情况下,不使发动机经济性恶化,故比较普遍使用于现代发动机上。防冰系统的存在和发展,有效的解决了因发动机结冰而影响发动机正常使用问题,保证了发动机的安全使用。

4 防冰系统展望

防冰系统的发展方向是在减小能量损失和减小发动机推力的前提下,实现防冰效果。具体发展方向可分为以下几种:(1)电涡流防冰系统,通过电力系统产生涡流,利用涡流产生的排斥力,是部件表面膨胀,破碎并清除结冰。(2)采用记忆材料的防冰系统,通过加热由记忆材料制成部件时,它改变自己的尺寸,破碎结冰。(3)使用碳纤维镍金属镀层的加热系统,通过用极薄、及轻的碳纤维镍金属镀层,形成高密度的热流,实现破冰。

以上方法的发展将更加有利于减少能耗,对发动机工作性能提升有很大帮助。