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預(yù)旋系統(tǒng)的工作原理是：冷卻空氣通過(guò)預(yù)旋噴嘴，改變了氣流流動(dòng)方向，形成一個(gè)切向分速度。預(yù)旋噴嘴是一組葉柵或斜孔，其出口的方向與下游渦輪盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向一致，在預(yù)旋噴嘴內(nèi)氣流經(jīng)過(guò)膨脹加速靜溫降低，同時(shí)相對(duì)渦輪盤(pán)的相對(duì)速度也降低，降低了熱端部件感受到的相對(duì)總溫，即對(duì)冷氣產(chǎn)生“冷卻”，從而提高對(duì)熱端部件的冷卻效果。

高壓渦輪一級(jí)導(dǎo)葉冷卻流路通常從高壓壓氣機(jī)出口引氣，經(jīng)燃燒室內(nèi)外環(huán)流道進(jìn)入一級(jí)導(dǎo)向葉片上端和下端集氣腔，然后分別流入導(dǎo)葉葉身和緣板，對(duì)葉片和緣板實(shí)施冷卻后從氣膜孔和尾縫等排入主燃?xì)馔ǖ?；此外，?jīng)燃燒室外環(huán)的小部分空氣將用于冷卻高壓渦輪一級(jí)動(dòng)葉外環(huán)。

在當(dāng)今燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷程中，曾經(jīng)對(duì)渦輪導(dǎo)向葉片和轉(zhuǎn)子葉片采用過(guò)很多冷卻方法。一般情況下，單通道內(nèi)部對(duì)流冷卻（如下圖）具有很大的使用效果。然而在研究發(fā)展中有出現(xiàn)了多通道的內(nèi)部冷卻渦輪葉片，外部沖擊式氣膜冷卻導(dǎo)葉。

· 高壓渦輪葉片冷卻的發(fā)展（圖片來(lái)自于公開(kāi)資料）

2 減渦系統(tǒng)和高壓渦輪二級(jí)冷卻

高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉和動(dòng)葉工作環(huán)境的壓力比高壓渦輪一級(jí)低，可以從壓氣機(jī)中間級(jí)引氣進(jìn)行冷卻。高壓渦輪二級(jí)導(dǎo)葉冷卻供氣流路通常從高壓壓氣機(jī)中間級(jí)引氣，經(jīng)主流道外機(jī)匣內(nèi)環(huán)開(kāi)孔進(jìn)入環(huán)形集氣腔，再通過(guò)位于核心艙的外部空氣導(dǎo)管進(jìn)入高壓渦輪二導(dǎo)上方集氣腔。少量引氣進(jìn)入渦輪機(jī)匣對(duì)二動(dòng)外環(huán)相關(guān)零件進(jìn)行冷卻，隨后從外環(huán)上的開(kāi)孔排入主流道；大部分引氣進(jìn)入二導(dǎo)葉身，除部分引氣用于葉片下緣板前后輪緣封嚴(yán)外，其余均用于葉片的冷卻。

GE90發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪二級(jí)動(dòng)葉冷卻供氣流路從高壓壓氣機(jī)中間級(jí)引氣，經(jīng)鼓筒上的孔進(jìn)入高壓壓氣機(jī)盤(pán)腔，經(jīng)減渦器、高壓壓氣機(jī)盤(pán)心、高壓渦輪一級(jí)盤(pán)心進(jìn)入高壓渦輪級(jí)間盤(pán)腔，最后進(jìn)入高壓渦輪二級(jí)動(dòng)葉內(nèi)冷通道，對(duì)葉片實(shí)施冷卻后從專門(mén)布局的排氣口（小孔或尾縫）排入主流道。

如上圖所示，氣流從主流道進(jìn)入壓氣機(jī)盤(pán)腔，沿徑向流動(dòng)的空氣主要受到慣性力、離心力和哥氏力的作用，流動(dòng)過(guò)程中若不加以控制，氣流以自由渦形式發(fā)展，產(chǎn)生很大的旋流，導(dǎo)致靜壓下降很大，對(duì)于空氣系統(tǒng)提供葉片足夠供氣壓力極為不利。減渦器是安裝在壓氣機(jī)盤(pán)腔上的數(shù)根管道，與壓氣機(jī)主流道通過(guò)引氣孔相連（如下圖）。如果在盤(pán)腔內(nèi)設(shè)置減渦器，特別是管式減渦器，迫使氣流在特定的流路中徑向流動(dòng)，可大大地減少壓降，進(jìn)而減少靜壓損失。

提到航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)，就不得不說(shuō)美國(guó)IHPTET計(jì)劃

高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)研究計(jì)劃，是1988年由美國(guó)空軍首先發(fā)起制訂并實(shí)施的。陸?？杖姟?guó)防部預(yù)研局、NASA和七家主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都參與了這項(xiàng)計(jì)劃。計(jì)劃總的目標(biāo)是到2005年使航空推進(jìn)系統(tǒng)能力翻一番，即推重比增加100%-120%，耗油率下降15%-30%。它采取變革性的技術(shù)途徑，綜合運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力學(xué)、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方面的突破性成就，大大提高渦輪前溫度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕重量，實(shí)現(xiàn)最佳性能控制，最終達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

· （圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

該計(jì)劃的進(jìn)展主要分為三個(gè)階段

·第一階段：以普惠公司的XTE65/2驗(yàn)證機(jī)為代表，在1994年9月的試驗(yàn)中已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)了第一階段的目標(biāo)—推重比增加30%，渦輪進(jìn)口溫度比當(dāng)時(shí)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)提高222℃，超過(guò)目標(biāo)55℃。在他上面驗(yàn)證的主要新技術(shù)有：小展弦比后掠風(fēng)扇、雙合金壓氣機(jī)盤(pán)、刷子封嚴(yán)、超冷渦輪葉片、陶瓷復(fù)合材料火焰筒浮壁等。

·第二階段：艾利遜預(yù)研公司于1991年底和1994年6月分別試驗(yàn)了針對(duì)研究計(jì)劃第二階段目標(biāo)的XTC16/1A和XTC16/1B核心機(jī)，提前四年達(dá)到第二階段核心機(jī)目標(biāo)。在這兩臺(tái)核心機(jī)上驗(yàn)證的新技術(shù)主要有：壓氣機(jī)整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)、Lamilloy鑄冷渦輪葉片、渦輪整體葉盤(pán)、周向分級(jí)燃燒室等。

·第三階段：已經(jīng)通過(guò)了應(yīng)用基礎(chǔ)研究和部件研究階段。在氣動(dòng)熱力、結(jié)構(gòu)和材料方面已經(jīng)取得了階段性成果，在2001年和2002年分別進(jìn)入核心機(jī)和驗(yàn)證機(jī)驗(yàn)證。待驗(yàn)證的技術(shù)有：帶核心驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇級(jí)的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、壓比相當(dāng)于F100-200發(fā)動(dòng)機(jī)3級(jí)風(fēng)扇的單級(jí)分隔式葉片風(fēng)扇，高級(jí)壓比的金屬基符合材料整體葉環(huán)結(jié)構(gòu)的高壓壓氣機(jī)（4級(jí)達(dá)到F100發(fā)動(dòng)機(jī)10級(jí)的壓比）、鈦鋁壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子葉片、駐渦穩(wěn)定燃燒室、燃燒室主動(dòng)溫度場(chǎng)控制等。

封嚴(yán)，顧名思義，就是密封、嚴(yán)實(shí)，是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜子部件間的泄漏進(jìn)行控制。航空發(fā)動(dòng)機(jī)上使用封嚴(yán)的地方很多，如主流道轉(zhuǎn)子與靜子密封、主軸承油腔密封、附件傳動(dòng)機(jī)匣中傳動(dòng)附件輸出軸密封等。密封裝置的形式按工作性質(zhì)可分為接觸式和非接觸式兩種。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)的密封特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有極為重要的影響，尤其是氣路密封，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比和渦輪效率的提高。研究表明：當(dāng)封嚴(yán)泄漏量減少1%，發(fā)動(dòng)機(jī)推力將增加1%，耗油率降低0.1%；對(duì)于先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口溫度保持不變的情況下，高壓渦輪封嚴(yán)泄漏量減少1%，推力將增加0.8%，耗油率降低0.5%。因此，美國(guó)IHPTET計(jì)劃第二、第三階段空氣系統(tǒng)流路設(shè)定的目標(biāo)分別是密封泄漏量減少50%和60%。由此帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能改善為：高壓壓氣機(jī)效率提高4.4%，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高7.6%；高壓渦輪效率提高4.2%，相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)推力提高9.7%。采用先進(jìn)密封技術(shù)來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能已經(jīng)成為一種低投入、高回報(bào)的有效途徑。封嚴(yán)技術(shù)改進(jìn)帶來(lái)的具體效益為：

·使大發(fā)動(dòng)機(jī)的直接費(fèi)用減少3%，支線發(fā)動(dòng)機(jī)直接費(fèi)用減少5%。

·使發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率降低10%以上。

·使發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量減少50%以上。

·使機(jī)場(chǎng)噪聲降低7dB。

由此可以看出，先進(jìn)封嚴(yán)技術(shù)在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)諸多性能，如耗油率、飛行成本、推重比、部件壽命及降噪方面，都起到了關(guān)鍵作用。

空氣系統(tǒng)主要功能之一即：主軸承油腔密封。軸承是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的承力部件，是保證轉(zhuǎn)子正常運(yùn)轉(zhuǎn)、定心定位的“大力士”。為保證軸承腔里的滑油不外泄，需要對(duì)軸承腔進(jìn)行封嚴(yán)。以下二圖為例，要保證軸承腔的有效封嚴(yán)，需保證1號(hào)腔室和2號(hào)腔室的空氣來(lái)流壓力大于軸承腔內(nèi)的壓力，以保證滑油不會(huì)從軸承腔向外泄漏出來(lái)。

如果你讀過(guò)前幾期關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力原理的科普文章，你一定對(duì)噴氣推進(jìn)原理有所了解。但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部推力的分布可能并不清楚。如下圖所示。

我們都知道，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是要對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生向前的推力的在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，燃?xì)饬鲗?duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)和部件的推力大小和方向是不一致的。燃?xì)饬鞯膲毫蛣?dòng)量變化導(dǎo)致氣體載荷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)部件產(chǎn)生反作用力。在一些位置，如壓氣機(jī)和燃燒室，是向前的推力，在另外一些地方如渦輪和尾噴管，則是向后的推力。向前的力的總和與向后力的總和的差值就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的額定推力。比如上圖發(fā)動(dòng)機(jī)的額定推力就是11158磅。

因此，發(fā)動(dòng)機(jī)軸承受交變的軸向燃?xì)廨d荷，在壓氣機(jī)中是向前的，在渦輪是向后的。壓氣機(jī)與渦輪之間的軸經(jīng)常處于拉伸應(yīng)力之下，載荷由裝在靜止機(jī)匣上的定位軸承承受（如下圖示）。內(nèi)部空氣系統(tǒng)的壓力作用在一個(gè)固定直徑的壓力平衡封嚴(yán)件上，以保證定位軸承承受的載荷是適當(dāng)?shù)摹?/span>

以GE90發(fā)動(dòng)機(jī)為例，簡(jiǎn)述發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力調(diào)節(jié)原理與特點(diǎn)。下圖是GE90發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子部分結(jié)構(gòu)圖，紅色箭頭代表主流以及各腔室空氣流對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的軸向力的方向。主流對(duì)葉片產(chǎn)生軸向載荷并通過(guò)葉身、榫槽、軸頸傳力到軸承上；空氣系統(tǒng)各個(gè)腔室（如圖標(biāo)號(hào)為1-6號(hào)）由于存在冷卻或封嚴(yán)氣流，所以也對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生壓力，壓力在軸向的分量即空氣系統(tǒng)二次流產(chǎn)生的軸向力，最終通過(guò)結(jié)構(gòu)傳力傳到軸承上。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，如果軸承所承受的軸向力超過(guò)允許范圍，將導(dǎo)致軸承損壞，進(jìn)而產(chǎn)生一系列嚴(yán)重的后果，故需巧妙設(shè)計(jì)空氣系統(tǒng)流路布局，使得空氣系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子向前、向后的軸向力矢量疊加后的力仍在軸承所允許承受范圍內(nèi)。例如下圖GE90發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)向后的軸向力過(guò)大時(shí)，在低壓渦輪軸頸大腔后設(shè)置四級(jí)壓氣機(jī)引氣管路，將空氣引至2、3腔室，對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向前的軸向力，抵消一部分向后的軸向力，使得總軸向力在軸承允許承受范圍內(nèi)。

· GE90發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)四級(jí)引氣來(lái)控制軸向力（圖片來(lái)源于公開(kāi)資料）

輪緣封嚴(yán)，是指通過(guò)設(shè)置封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，在渦輪盤(pán)輪緣處防止主流熱燃?xì)獾刮肟諝庀到y(tǒng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔，否則將會(huì)造成輪盤(pán)燒蝕。渦輪盤(pán)在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)附近的流體在離心效應(yīng)的作用下沿轉(zhuǎn)盤(pán)徑向向外流動(dòng)。在輪緣密封間隙的另一側(cè)，靜止盤(pán)附近的流體沿徑向向內(nèi)流動(dòng)，以保證盤(pán)腔系統(tǒng)的質(zhì)量守恒，這就是燃?xì)馊肭脂F(xiàn)象。如圖所示。

作為維持航空發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)科學(xué)巨人正常血液循環(huán)的復(fù)雜系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)流路設(shè)計(jì)分析是一個(gè)綜合了空氣動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、數(shù)值模擬、試驗(yàn)建模的多學(xué)科綜合問(wèn)題。本期對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、原理做了初步的介紹。下一期將重點(diǎn)介紹空氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。各位讀者敬請(qǐng)期待！

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