发动机防冰系统简介

赵广旭

摘 要：防冰系统对于发动机的安全有着至关重要的作用，一个好的防冰系统能够在保证发动机安全运行的同时，不消耗发动机的工作效率，文章介绍了一些发动机结冰的相关知识以及发动机防冰系统的组成与工作等相关内容。

关键词：发动机；防冰；设计；组成

1 结冰的原理介绍

1.1 结冰的条件

在0℃以下大气中存在液态水滴的条件下飞行器会发生结冰。水滴可以在负温度下以液态形式存在似乎很奇怪。但是从热力学的观点来说，看上去“反自然”的这种状态是完全可能的，它被称作过冷状态。水滴能够在过冷状态存在，是因为水滴从液态变为固态时，除了要克服通常的能障之外，还要克服与表面张力所作功相关的能障。

下面我们就来看一下水滴的冻结过程。由于只有在高过饱和水蒸气中和在非常低的温度下（低于-60℃），才能直接由水蒸气自然形成冰核，所以在含水滴的两相过冷气流中，冰粒只有在下列情况下才能形成：过冷水中有冰核均质核化，即在水滴中自然生成冰核，之后随着冰核周围冰的增长水滴冻结；含有被激活的外来冰核的水滴从某种过冷状态开始冻结（异相核化）。

1.2 结冰的气象条件

在多数情况下，飞行器在有降水的云层中飞行时会结冰。从结冰的角度看，所有的云都可分为层云和积云两大类。

结冰发生的概率可通过一系列表征大气条件的参数来计算，这些参数为：液态水含量或单位体积空气含水滴水分的质量，g/m3（这里需要将液态水含量的概念与温度或单位体积空气含水蒸汽的质量（g/m3）的概念区分开）；温度；水滴尺寸和水滴尺寸的分布；云层的水平范围和垂直范围。

上述参数的变化范围很大，在一定的参数组合下会有最大的结冰概率。这些结冰条件在标准中有专门的研究和归纳，这些标准文件有三种用途：结冰条件的预测和记录；防冰系统的设计和试验；结冰条件的模拟（一般用于试验）。

1.3 结冰的物理过程

过冷水滴碰到飞机表面后就开始冻结，此时水滴的轨迹由水滴和气流的相互作用决定。水滴碰撞后马上就会部分或全部冻结。除温度外，云层中的液态水含量对计算水的冻结部分大小和冰瘤的形状起着重要作用。随着云层中液态水含量的增大，水的冻结部分会减小。

1.4 结冰对于发动机的危害

发动机在高空飞行，或者在寒冷地带飞行的时候，发动机的入口便容易结冰，一旦发动机的空气入口结冰，便会影响发动机的进气条件，如果发动机的入口持续结冰，入口处的冰块很有可能会进入发动机的进气道，而在飞机高速飞行的时候，进入发动机进气道的冰块便会打伤发动机的叶片，严重时，会导致发动机叶片的折断，这就会给发动机的高空飞行带来致命的损伤，从而导致空难的发生，所以，发动机的防冰系统对于发动机的正常工作是十分重要的。

2 发动机防冰系统的附件

2.1 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防冰系统的起动电磁活门、机载数据记录系统和座舱内的荧光屏监测和告警系统。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。结冰信号传感器安装在飞机的左进气道内。结冰信号器的原理图见图1。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阈值时，电子换流器以27伏直流电压的形式，输向座舱监控告警系统，发动机防冰系统的起动电磁活门和机载数据记录系统。同时，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。

为了便于检查结冰信号器的良好性，当按压电子换流器前面板上的“模拟”按钮并松开，则信号灯“加温”和“模拟”燃亮，并且按按钮后，经41±11秒向座舱发出“良好”的27伏直流电压信号，经77±22秒后该信号消除，则表明结冰信号器正常，否则说明结冰信号器有故障。

2.2 控制附件

控制附件的功用是向发动机防冰系统输送经过调节的高压压气机第七级空气；根据飞机系统的指令，接通或关断防冰系统；向荧屏监测告警系统输送“结冰”信号。

控制附件主要由节气门、衬筒、微动电门、活塞、柱塞、双金属弹簧、活门等组成。当气动电磁活门工作时，从空气热交换器来的高压压气机第九级热空气直接作用在活塞的右面，推动活塞左移，使节气门轴转动，打开由高压压气机第七级通往防冰系统用气部件的通路。当控制附件后的第七级热空气流量过大，使控制附件后管路的压力增大，控制附件柱塞左边的B腔压力增大，推动柱塞右移，柱塞上的活门打开了活塞右边通往大气的通路，使活塞右移，节气门调小空气流量。当高压压气机第七级热空气温度较高时，由双金属片控制的弹性间隙流量调节器的转轴旋转，调小进气截面，减小热空气流量。当从高压压气机第七级来的热空气温度≤120℃时，弹性间隙流量调节器处于全开状态；当热空气温度≥480℃时，弹性间隙流量调节器处于最小流量状态。

2.3 起动电磁活门

起动电磁活门用来根据结冰信号器的指令或人工指令，接通或断开控制附件。起动电磁活门由电磁铁、电磁线圈、弹簧、顶杆等组成。起动电磁活门通电时，从空气-空气热交换器来的热空气，经过顶杆活门输往控制附件。起动电磁活门的工作电压是27伏直流电压，装在低压压气机机匣上。

3 发动机防冰系统的工作

当装在进气道中的结冰信号器探测到气体结冰时，立即向发动机防冰系统发出指令，气动电磁活门通电，打开空气-空气热交换器通往控制附件活塞右边的气路，活塞左移，节气门打开。于是从高压压气机第七级来的热空气，经弹性间隙流量调节器、节气门输往发动机进口导流器和整流罩。热空气从整流罩前部流出，在整流罩表面形成气膜，避免了结冰的发生；同样，热空气从进口导流叶片的长方形窗口流出，防止结冰发生。当活塞运动到左极限时，断开微动电门，微动电门向机载数据记录系统和荧屏监测告警系统发出“结冰”信号，以示发动机防冰系统开始工作。

当防冰系统使用的高压压气机第七级空气温度升高时，控制附件内的弹性间隙流量调节器调小气体流量，反之，增加气体流量。当防冰系统使用的热空气压力过大时，通过控制附件上的排泄活门，把压力调到规定范围内。

4 结束语

文章从发动机结冰入手，介绍了发动机结冰的原理以及过程，以及结冰对发动机产生的危害，并详细的介绍了发动机防冰系统的组成以及工作过程，为了解发动机结冰及如何防止结冰提供了一定的帮助。