“大发”的冰与火之歌---空气系统篇之热分析
在进入今天的精彩内容之前，先插播几条与“大发”有关的好消息。
第一件喜事，就是在刚刚结束的十八届五中全会上，我们的习大大在向大会作十三五规划说明时专门提到了我们的大发哦，他表示，从更长远的战略需求出发，我们要坚持有所为有所不为，在航空发动机、量子通信、智能制造和机器人、深空深海探测、重点新材料、脑科学、健康保障等领域再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目。已经部署的项目和新部署的项目要形成梯次接续的系统布局，发挥市场经济条件下新型举国体制优势，集中力量、协同攻关，为攀登战略制高点，提高我国综合竞争力、保障国家安全提供支撑。航空发动机即将上升为国家级的重大科技专项，对于我们的“大发”来说无疑是一大利好。
这第二件喜事呢，则是在新出炉的《中国制造2025》10大重点领域技术路线图中，我们的宽体、窄体“大发”也是名列其中哦，看到这则消息，心动君与我们的攻城狮们也是感觉责任重大、干劲满满呢。对这一消息具体细节感兴趣的童鞋，可以点击今天微信的第二篇内容详细了解哦。
看到这两件喜事，各位“大发”的粉丝们是不是有那么一点小激动呢？
好啦，好消息说完，下面我们进入今天的正题。
上期介绍了航空发动机空气系统的主要功能、工作原理、流路布局和典型结构等，详细阐述了空气系统二次流在冷却、封严、调整轴向载荷等方面的重要作用。
本期聚焦于发动机热分析、防冰，我们的空气系统攻城狮陈潇、霍雨希望读者在了解发动机内部各个位置的温度是如何变化并加以调整的同时，欣赏一曲航空发动机的“冰与火之歌”。
·（图片来源于网络）
在航空发动机的不同部位，温度变化很大：有些部位，例如在燃烧室内，燃料与高温高压的空气混合燃烧，温度或将超过1700K，将化学能转化为涡轮功，驱动飞机飞行；在压气机内，转子叶片对空气做功，提高了气流温度；当飞机在结冰条件下飞行时，在进气道前缘、锥形整流罩、分流环以及第一级压气机导流叶片前部等部位，温度达到了结冰条件，会发生结冰现象。
此外，即使是同一部位，在发动机运转的不同状态下，温度场也在不停地连续变化中。目前，先进发动机的涡轮前燃气温度已高达2000K，这意味着在发动机从静止状态起动加速至设计工作状态的过程中（或在相反的过程中），涡轮部件必然要经历一个大范围的环境温度变化。例如下图反映了高压涡轮转子在从飞机起飞到巡航状态过程中温度的变化。毫不夸张地说，“大发”内部的温度场千变万化，设计时需要对零部件进行系统的热分析工作，提供强度进行计算，保证零部件能在使用寿命期间安全地运行。
热分析工作可归纳为：通过以零件结构信息（尺寸、模型、材料等）、零件所处环境（气流、辐射等边界）作为输入，运用热分析工具（温度场、有限元分析软件）进行计算，最后给出零件的温度信息。从而为设计服务—支撑结构设计时的选材、部件强度和变形计算，寿命分析等。例如，在设计某型号发动机时，通过热分析计算，发现某状态下压气机转子局部最大温度超过所用材料许用温度，部件建议将材料更换为更加耐高温的新型材料。
·压气机转子温度场（图片来自中航商发）
主动间隙控制系统
技术（ACC）
1.何为“间隙”？
前文已经提及，在发动机从静止状态起动加速至设计工作状态的过程中（或在相反的过程中），涡轮部件必然要经历一个大范围的环境温度变化。由于涡轮盘和叶片的组合与机匣结构不同、受力状况不同、材料及换热条件不同，因此必然导致它们的热响应（即对“热胀冷缩”的感应程度）不同，这就造成了发动机在工作范围内，涡轮叶片尖端的径向位移与机匣的径向位移不同步，产生或大或小的叶尖与机匣之间的缝隙，这就是主动间隙控制技术里所谓的“间隙”。
·高压涡轮叶尖间隙示意图（图片来自中航商发）
2.为什么要控制“间隙”？
高压涡轮部件在设计和装配时，预留较大的涡轮叶尖和机匣之间的冷态径向间隙，保证在整个工作过程中叶片与机匣都不相碰。但是，大的叶尖间隙必然导致叶尖漏气损失的增大，这对发动机的总体性能是不利的，根据以往经验，叶尖间隙增加1％会导致涡轮效率下降1.5％。另外，对于效率降低了的发动机，若还要求它能提供所需的功率输出，就必然增加供油量，这将使发动机的工作温度增加，势必对发动机的可靠性和寿命产生不良影响。综上所述，在保证涡轮安全的情况下，尽量减小工作状态下涡轮的叶尖间隙就成为发动机设计师们努力的方向。
3.如何来控制“间隙”？
许多早期的发动机，为了减小叶尖间隙的漏气损失，会在涡轮叶片的设计上采用带叶冠的方法，以利用叶冠上的篦齿进行封严，比如RB211发动机高压涡轮，JT9D发动机的高压涡轮二级转子叶片，JT3D发动机高压涡轮叶片等均带冠。这种设计还可以减小对涡损失，所以在气动上是有利的，而且带冠叶片对减小振动应力也有一定的好处。但是，叶冠使涡轮叶片的根部应力显著增加，当提高涡轮前燃气温度和轮缘速度时，叶冠的这一缺点尤为显著。
·主动间隙控制管路设计简图（资料来源于中航商发）
另外一种行之有效并在民用航空发动机上得到广泛应用的控制叶尖间隙技术即本文所讲的主动间隙控制技术。它的原理是：根据发动机的工作条件和工作状态，从压气机或风扇引出一定的空气对涡轮机匣进行冷却，通过控制涡轮机匣的热膨胀实现对涡轮叶尖间隙的控制。
当飞机在有过冷水滴、冰晶及雪花的大气层中飞行时，发动机的零部件，特别是进气部件前缘很可能发生结冰现象。结冰对发动机的正常工作是极其有害的：发动机进气系统结冰会改变气流通道的形状，减少发动机进气面积，甚至使气流分离，引起压气机不稳定工作；在发动机和飞机的振动作用下，结冰层可能会脱落进入压气机而损伤发动机零部件，造成机械事故；压气机转子叶片结冰会改变叶形从而使叶片偏离设计工作状态，导致气流分离而使压气机失速，甚至会使发动机熄火，导致飞行事故。
·模拟图像：冰晶聚集在一起黏结在油管内部（图片来源于公开资料）
纵观现代民航飞行史，由于发动机结冰而产生的事故和争论不胜枚举：
2008年初，，一架由中国起飞的波音777客机历经十小时的飞行后正在为降落做最后的准备。当飞机降落到500英尺的高度时，两台发动机同时“罢工”，飞机瞬即失去动力，在如此低的位置意味着搭载着152人的波音777不可能平安着陆，这架大客机处于失速状态。幸好飞行员操作得当，成功实施了迫降。除了19名伤员，其他乘客安然无恙。
随着调查的深入了解，发现是燃油表面结冰导致了燃油输入不足，造成飞机在最后近地的时候生了发动机停车的事故，随后修改的飞行手册和改进的交换器设计都更加保障了的安全。
·燃油表面结冰（图片来源于公开资料）
2014年12月28日，亚洲航空公司QZ8501航班从印尼泗水飞往新加坡途中失事，发生坠海空难，当局指出，飞机结冰破坏发动机可能是空难触发因素。
2013年12月，FAA正式就GEnx发动机结冰问题发出警告，指出运营配装GEnx发动机的747-8和787飞机的航空公司应避免进入冰晶结冰区域，此前，GEnx的发动机运营商已经报告了9起在高空中因发动机结冰引起的推力损失事故。在其中的2起事故中，发动机仅恢复到慢车状态，不能产生更大的动力；在其他事件中，发动机减速了20秒，后又恢复到正常推力。
·GEnx发动机（图片来源于公开资料）
适航条款也对发动机结防冰特性提出了明确要求，例如CCAR-33R2《航空发动机适航规定》中涉及发动机结冰的条款包括：33.65“喘振与失速特性”、33.68“进气系统的结冰”、33.77“外物吸入—冰”，近年来FAA针对过冷大水滴、冻雨、冰晶等引起的发动机结冰现象发布了相关草款法案。由此可见，为了保证飞机的飞行安全，发动机防冰是十分必要的。空气系统担负起了引气并使空气通过管路对进气道进行加温防冰的任务。
防冰流路通常从高压压气机中间级引气，通过位于核心舱的空气导管供给内涵和外涵分流环等部位进行防冰。流路中设有阀门对引气量进行控制。
零部件热分析、防冰是发动机设计过程中必须考虑的因素。本期小编介绍的只是冰山一角，供大家初步了解。要想彻底弄懂这些技术，还是要靠阅读大量专业技术资料并在日常设计工作中多多学习多多积累才可以。
·霍雨 ·陈潇