气膜冷却
• 也称阻隔冷却,是从热表面的孔排成缝隙中 吹出冷气流,并在热表面上形成一 冷气膜,用 以阻隔热燃气对固体壁面的加热。这是一 种 有效的热防护措施,同时还可以阻隔燃气 对固壁材料 腐蚀。由于冷气膜与主燃气流 不断掺混,故沿流动方向 隔热作用逐渐下降, 为保持气膜的阻隔作用,就需要在气膜失效 处再喷出冷气形成新的气膜。如果被保护 表面 部被这种连续的气膜所覆盖,则这种气 膜称为全气膜冷却 。
空气冷却给发动机带来的负面影响
• 第一, 在热部件的设计上都采用了 较复杂的结构 形式,这对零部件的制造工艺提出了较高的要求,增 加了制造成本。有时这种特 殊冷却结构的存在也 增加了发动机重量。比如, 发动机在外涵道设置的 冷气散 热器,可使冷却涡轮部件的压缩空气温度降 低,以改善发动机的冷却性能,但是对发动机的工艺、 成本以及结构、重量也带来严重的影响。
• 零件温度的升高,降低了材料的屈服极限和抗蠕变 性能,另一方面温差的加大(确切 地说,是温度梯度 的加大)使零件的热应力增加,因此,对高温零件的 温度场(稳态温度场和瞬 态温度场)的准确计算都 给予很大注意。
• 航空发动机祸轮冷却一般采用压气机出口或中间 级引出的高压空气作为冷却介质。由 于涡轮前燃
• 第二,冷却空气通常都是从压气机中引出的,这部分 经压缩的空气本应进入燃烧室与燃料 混合、燃烧, 作为主(燃)气流参与全机的热力循环、对外做功, 可是为了冷却需要却被引人发动空气系统,从而失 去了做功机会。因此使发动机的整机做功能力下 降。
• 涡轮前燃气温度 越高,需用的冷却空气量越大,给 发动机性能带来的影响越严重。目前冷却空气用 量已达到核 心发动机总流量的20%~25%
.陶瓷涂层
• 陶瓷涂层是另一种隔热措施,同样可以起到 隔热和防止腐蚀的作用。陶瓷涂层的主要 问 题是材料的稳定性和由于与金属的热膨 胀系数有较大的差别而易于受热脱落。目 前陶瓷涂层 的主要成分是二氧化锆(ZrO2) , 采用等离子火焰喷涂的办法秸附在叶片表 面上,它具有熔点 高(2 148. 9 °C)和抗热冲 击的特性。
• 热端部件主要依靠与冷气流的对流换热来 实现降温,为此必须采取各 种强化换热或阻 隔热燃气对热端部件加热的措施以达到冷 气用量少、冷却效果佳的目的。强 化换热
的方式主要有冲击冷却、扰流器强Fra bibliotek换热 以及设法降低冷气温度等措施。
冲击冷却
• 用一股或多股冷气 射流冲击热表面,在 冲击驻点区形成强 型的对流换热。这 种冷却方式 适于重 点冷却局部热表面, 对于大面积的冲击 冷却必须采用冷气 射流孔阵或多排缝 射流。
• 应付高温燃气挑战的另一个有效措施就是 发展新的、更有效的耐温材料,该项工作分 两个 方面,一是发展叶片、涡轮盘的耐热材 料,二是发展可靠的隔热涂层材料和制作工 艺。
• 目前航空燃气涡轮发动机中冷气的主要作 用是担负高温零部件的隔热与冷却,同时,还 担 负密封、防冰以及平衡发动机轴向力、 调节间隙等方面的作用。
• 第三,冷却空气不仅仅不参与热力循环而失去做功 能力,而且还由于冷却空气在对高温零 部件进行热 防护的过程中从主燃气流中吸收热量,而使主燃气 流的热损失加剧,因此使主燃气 流的做功能力下降。
• 第四，不论是从压气机的主气流中将冷却气流引 人空气系统,还是冷却空气完成冷却任务 后汇入主 气流,都会增加气流的阻力损失。如果引气处理不 当,不但增加流动损失,有时还会 引起气流的不稳 定流动,
发散冷却
• 当高温燃气流过多孔材料构成的壁面 一侧(简称热侧) ,而冷气由多孔壁面另 一侧(简称冷 侧〉喷入热侧时,则在热 侧的壁面上形成一层连续的冷气膜,把 燃气与多孔壁隔开,以达到保护 壁面的 作用。同时,由于冷气通过多孔壁时对 壁内进行强迫对流换热,致使这种热防 护措施更 有效。制作这种多孔壁的材 料有经过碾压的耐热金属丝编织的席 网、多孔陶瓷等。
• 火焰筒的燃气侧焊一层柔性金属,在柔性金
属外烧结一层隔热涂层材料。柔性层与火 焰筒之间的焊接材料是AMS 4782。这种结
构，由于柔性层的缓冲，大大地减少了火 焰筒壁与陶瓷涂层在加 热过程中由于热膨
胀产生的的应力,增加了陶瓷涂层的附着能 力。柔性层的另一个作用是起 到多孔材料
的作用,冷气由火焰筒外的二股气流,经火焰 筒上小孔流人,经柔性层的多孔材料, 进行冷 却后,由每块陶瓷涂层之间的缝隙流出,汇入 主燃气流。目前耐温已达1 371°C,现正进 军1 649°C,这种结构可以节省冷气,比一般 气膜冷却减少 80%的冷气用量。
气温度的不断提高,冷气用量也在不断加大。冷气 流量的加大,对提高发动机推力不利。比如E3发动 机的冷气(包括泄漏)流量己达核心发动机总流量 的18.87 %,其中 第一级导向器的冷气流量就占核 心发动机总流量的9.24% ,第一级转子占6%,其余 为第二级 导向器、涡轮外环和第二级转子的冷气
流量。
• 燃气温度在2 000 K量级,其相对冷气流量应 为15% ,再加上泄漏量,大致 冷气流量应在 15 % ～20 %之间,人们在不遗余力地寻求 有 效的冷却方式,以求减少冷气用量。
• 采用不同形式的扰流器来加强冷气流的扰 动以提高换热系数。主要用于叶片的内冷
却。目前常常在空心的叶片 缘缝隙中安排
交错排列扰流柱,以提高空心叶片尾缘中冷 气流与尾缘内壁的换热系数。通常扰流片 和扰流柱带来的换热面积增加在6%～10％, 而带来的换热系数增加可达一倍以上。
冷却空气散热器
另一种降低冷却气流温度的方法是采用冷却空气散 热器, 发动机上使用的冷气散热器由的薄壁管 (0.5 mm)构成。这 薄壁管弯成“弓”字形,每三 根薄壁管构成一个组件,每二个组件为一组,共64 组,薄壁管外 之间由众多的肋片连接在一起,使散 热器成为一个整体,置于外涵道中。利用外涵道 的气流 为散热器的冷却工质冷却薄壁管内来自 高压压气机出口的冷却气流。通过散热器可使冷 却 流降温150----200 K,但流阻损失较大。当前发 动机的增压比都在25的量级,由于增压比较高,高 压压气机出口气流作为冷却 流的温度均在800 K