航空发动机涡轮冷却原理分析

程代姝

（正德职业技术学院，江苏 南京 210000）

在航空发动机涡轮运转过程中，需要综合考虑涡轮气动设计、传热分析、冷却技术等问题，从而提升涡轮的抗高温能力和工作效率。基于这一目的，航空发动机都配备有涡轮冷却系统，根据具体的需求对冷却涡轮用的附加空气流量做出提供或撤销处理，避免涡轮运行出现异常故障。

1 涡轮冷却系统的主要组成部分

从大致结构上来说，为保证系统正常工作运转，涡轮冷却系统应当包括电磁、分流、断流活门，冷却控制附件，空空换热器以及空气滤器等主要结构。

1.1 涡轮冷却控制附件

壳体、限流嘴、微动电门、活塞以及弹簧共同构成了涡轮冷却控制附件主体，在应用过程中，涡轮冷却控制附件主要依据喷口加力调节器的电磁活门、分流活门的指令油压数据，断流活门控制相对灵活。涡轮冷却系统的主要工作原理是，在发动机工作状态下需要进行涡轮冷却的时候，将涡轮冷却控制附件将空空换热器与空气控制压力管道之间的气路关小，同时，使断流活门下移，实时发送冷却系统工作信号。

1.2 电磁活门

电磁活门的作用原理是通过发动机综合调节器的相关质量实现对冷却控制附件活塞上部油压的控制目的。在发动机处于特定的转子转速或燃气温度时。电磁活门接收综合调节器的相关指令进行开闭，最终实现对涡轮冷却控制附件上部的油压进行控制。

1.3 分流活门

分流活门的主要作用是根据操纵杆的角度控制开闭，实现调节冷却控制附件上部油压。

1.4 空气过滤器

空气过滤器的主要作用是确保涡轮冷却控制附件的高压空气达到工作所需质量清除其中的杂质，防止杂质造成系统故障。

2 发动机涡轮冷却方式

就目前来说，燃气轮机最广泛应用的冷却方式有以下几种，包括冲击冷却，对流冷却气膜冷却以及一些复合冷却方式。其中，气膜冷却的主要原理是，将冷空气通过冷却物体表面特定规律排布的气孔或缝隙以一定压力喷出，并且凭借压力在物体受热面与高温燃气之间形成一层低温气膜，从而减少高温燃气与物体受热面之间的热传递，最终起到对冷却物体受热面的冷却与保护作用，在温度高于1500～1600k时其冷却效果可达650℃以上，在现代涡轮高温部件冷却工作中被广泛应用。而对流冷却的主要工作原理则是，让冷却气流以一定的速率通过被冷却物体的受热表面，通过冷却气与燃气之间的气体对流换热带走部分本应传递到物体受热面的热量最终达到冷却效果，保护受热面。与气膜冷却相比，对流冷却效果较差，最大冷却效果只有250℃左右。冲击冷却或喷射冷却，从原理上看，其类似对流冷却，通过冷却器高速垂直对物体受热面进行喷射冲击，与燃气形成对流，带走热量。由于大大提高了对流冷却气体的速度，因此这种方法相较传统的对流冷却，效果高出数倍，这种方法主要应用在受热严重，但冷却条件极差的工作环境。

3 发动机涡轮冷却系统

常规情况下，涡轮冷却控制系统所应用的是气膜-对流复合冷却方式，相较气模冷却以及对流冷却，这种复合冷却方式的优势在于可以依据发动机不同的状态下的不同需求来提供不同的涡轮冷却空气流量。其冷却空气来源于发动机压气机和风扇。在发动机全功率运转时对处在较高燃气温度环境下的工作零件受热面提供附加冷却空气，将涡轮受热面的大量温度及时带走，对受热零件进行充分有效的保护，确保零件在工作过程中保证可靠，延长受热工做零件的使用寿命。同时，在飞机进行小油耗巡航过程中断开附加冷却空气，以此提高发动机的工作效率，减少油耗。

3.1 发动机涡轮冷却工作路线

为保证满足发动机不同工作状态条件下对涡轮的冷却，涡轮冷却系统必然要设置多条不同的冷却气路，为保证冷却系统的可靠运转减少故障，因此冷却系统中的大部分气路流量是不可调节的，设置多条记录的好处在于可以在发动机不同运转状况下通过调节一条或几条冷却气路的流量对冷却效果进行灵活调整，最大限度地满足发动机不同运转状况下不同分布的受热零件的冷却要求。此外冷却空气的来源来自发动机的内外涵道，要求其必须做到依据零件温度的高低分布，按照各个器物对涡轮进行充分冷却，确保发动机涡轮在各种工作运转状态下保持安全可靠。

3.2 发动机涡轮冷却控制系统

发动机涡轮冷却控制系统的主要功能与作用是根据发动机的不同工作状况控制冷却系统，对发动机冷却空气流量进行快速调节，保证涡轮在工作状况下得到充分适宜的冷却，保证其工作过程中的安全可靠。其主要组成部分包括汽滤、断流活门、电磁活门、分流活门以及冷却控制附件。除此之外，还包括监控仪表、综合调节器以及喷口调节器等冷却气流控制职能部件。其中断流和门的主要作用是依据其上部控制气压的压力大小来调节活门内部的活塞进行上下移动，进而达到调节冷却空气流量的目的。在工作过程中，由于外部流过的是外寒道的冷空气，因此可以运用气流来冷却涡内部流过的主燃烧室气流。此外，断流和门只存在开或关两种工作状态。当断流和门关闭时，其活塞处于下止点此时，冷却空气流量最小，但并没有切断，反之当断流和门打开时，即活塞处在上止点，此时，冷却空气流量最大，冷却效果最强。断流活门的开闭完全由活塞上部控制气体的压力来决定，当控制气体与高压气体相通时，压力最大，此时断流，活门关闭；反之，当控制气体与大气相同时，其压力最小，此时，断流活门打开。涡轮冷却控制附件的主要作用是依据喷口调节器，电磁活门以及分流活门所传达的油压指令来判断与控制断流活门活塞上腔内的气体压力情况，并以此控制断流活门的开闭。空气过滤器的功能则是去除高压气体中的杂质，确保气体质量。

4 涡轮冷却系统工作原理

当发动机的转速与温度参数达到特定的区间参数时，发动机的调节器开始向喷口调节器的电磁活门发出断电信号，此后，电磁活门将具有压力的燃油作用到涡轮冷却控制附件的压力控制腔，腔内压力迫使活塞下移，最终导致空气热交换器与空气控制压力管路之间的气路关闭，同时空气控制，压力管路与大气之间得到连通，最终涡轮冷却控制附件上的微动开关向发动机调节器发出涡轮冷却系统接通的信号。与此相反，当发动机工作状况不满足冷却接通条件时，压力燃油被中断活塞上移，向涡轮输送的冷却空气量减少。此时，发动机调节器将会发出减少温度调节的指令。除此之外，若满足接通涡轮冷却的任意一个条件，但发动机调节器却未接收到，来自微动开关发出的冷却接通信号则将会触发报警系统发出不冷却的信号，阻断用油门杆操作手柄增大发动机负荷状态的工作方式。

5 涡轮冷却的故障检测

一般情况下，涡轮冷却系统在运行过程中可能出现冷却断不开、冷却未接通等两种可能的故障问题。针对冷却断不开故障进行检测时，技术人员需要对发动机涡轮冷却条件进行判定，查验系统是否存在“涡轮冷却接通”信号，若存在，则需重点检查异常问题是否出现在涡轮冷却控制附件微动开关线路。而对于冷却未接通问题，其往往出现于涡轮转速低于90%信号的状态下。在开展故障检查过程中，相关工作人员需要依次检查仪器上的信号灯、发动机检查仪上的电磁活门信号灯、电磁活门的电路以及电磁活门的供电情况等，从而根据具体的故障现象判断故障状态和位置。比如，若在对发动机仪器进行检查时，电磁活门信号灯不符合常规的亮灭原则，则基本可以判定故障问题，分布在发动机的调节器以及控制电磁活门的线路上，由此需要相关工作人员在展开精细化查验的基础上进行维修、解除故障。

6 结语

综上所述，发动机涡轮冷却系统对飞机的安全飞行具有重要意义。本文通过对发动机或冷却系统的基本构造、涡轮冷却方式的介绍，对冷却系统的作用原理进行了总结，希望对航空发动机涡轮冷却故障的预防与查验工作效率的提升有所帮助。