航空发动机空气系统

发动机的内部空气系统为那些对发动机推力的产生无直接影响的二次冷气流。主要作用包括：

目前常见发动机中这些二次流大约占发动机核心总空气质量流量的五分之一。

来源

发动机压气机引气是内部空气系统主要来源，当空气逐级流过压气机时，对空气做的功在增加，从而提高了其压力和温度，使得二次流能够有足够的压力去冷却与封严。

同时，为了减少发动机的性能损失，空气应当按照每个特定的功能要求尽可能从压气机前几级抽取，也有少部分发动机会在不同级间同时引气。当然等二次流再次进入到主流通道后也会恢复一小部分的性能。

冷却

冷却主要是为保证发动机的零件在所有的情况下吸收的热达不到危及其安全工作的程度。需要空气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，包括冷却/加热。以保证温度的均匀分布，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。典型的冷却和封严空气流示于图1。

图1 典型的冷却和封严空气流路

涡轮

冷却

发动机空气系统的内部冷却主要针对的是涡轮部件，主要包括涡轮盘、叶片（导叶、动叶）、涡轮机匣、外环、缘板等，保证其温度与形变在安全使用范围内。

如图2展示的是一种涡轮叶片冷却方式，高压冷空气从叶根榫头进入到导叶内部，通过多通道的内部结构，从叶身、叶尖以及尾缘流出，在复杂的叶片中二次流通常经过包括冲击射流、扰流柱强化对流、气膜冷却等多种内外部冷却方式组合的复合冷却结构。

图2 涡轮叶片冷却方式

对于静止部件，包括机匣外环等可以直接通过正常管道引气进行冷却。而对于旋转部件，需要设计预旋喷嘴（降低了供往轮盘用于叶片冷却的空气的压力和温度同时还使空气得到很大的周向速度），才能使二次流能够有效地进入到旋转的冷却通道中。

冷却涡轮盘的冷却空气进入轮盘之间的空腔。并往外流过轮盘的表面。完成冷却功能之后，排入主燃气流可以有效防止高温燃气倒灌风险。

轴承腔

冷却

在正常情况下，不需要用空气来冷却发动机的轴承腔，因为润滑系统对于冷却目的来说是足够的。而且大部分情况下轴承腔总是会安排在发动机较冷的部位。在需要额外冷却的情况下，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。

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。当用空气进行冷却时，气源可以是压气机，或者是从发动机整流罩中进气道的引气口处引入的外界空气。

封严

有运动件如转子，与静止件如静子、轴承座之间都需要密封。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。

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、可磨蚀性、发热量、重量、可用的空间，易于制造及易于安装和拆卸。主要封严方法包括：篦齿式封严件（比较常见）、环形(又称浮动环)封严件、液压封严件、石墨封严件。

图3 一种假设的涡轮冷却和封严结构设计

防止燃气倒灌

高温主燃气流吸入涡轮盘的空腔会导致过热和引起有害的热膨胀和疲劳。涡轮环腔内的燃气压力往往比较高，同时，靠近旋转轮盘表面的空气由于摩擦而加速，使它被向外抽走。这就会诱发一股向里填补的高温燃气流。通过不断地向轮盘空腔供入足量的冷却和封严空气，来阻挡高温燃气的向里流动，达到防止燃气吸入的目的。

轴承载荷控制

发动机轴承受交变的轴向燃气载荷，在压气机中是向前的，在涡轮上是向后的。压气机与涡轮之间的轴便经常处于拉伸应力之下，载荷之间的差额则由装在静止机匣上的定位轴承(又称止推轴承)承受(图4)。

内部空气的压力作用在一个固定直径的压力平衡封严件上，以保证在整个发动机推力范围内，定位轴承承受的载荷是适当的。

图4 轴承轴向载荷的控制

防冰与飞机服务

为了提供座舱增压、飞机机体防冰和座舱供热，从压气机中引出了大量的空气。最好是尽可能从压气机前几级引气，以减小对发动机性能的影响。但是，在飞行循环的某些阶段，可能需要将引气部位变换到压气机的后面级，以维持足够的压力和温度

图5 热空气防冰

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