航空发动机传热

航空发动机热防护,热端部件工作在T3*接近2000K环境,该温度己超过目前使用的耐热合金熔点。航空材料工作者和传热工作者从两个方面克服面临的困难。一方面不断创造耐热材料，一方面采取有效的热防护措施来保证这些零部件可靠的工作。每年T3*平均提高22K,其中材料耐温的提高,每年平均8K,而剩下的14K由传热措施解决。燃气涡轮发动机压缩比的提高,压气机出口的气流温度己达800K,来作为冷端部件的压气机也受到温度的冲击,因此高压压气机的冷却不断受到重视。100K温差将来带来叶片寿命一个数量级的误差,准确地估算各热部件的实际工作温度,也成为航空发动机传热课题中的组成部分。,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2000K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。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。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、扰流器强化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。,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(0.5mm)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150-200K,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800K的量级,使其冷却作用大大减弱。,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。,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。,.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(2148.9C)和抗热冲击的特性。,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AMS4782。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1371C,现正进军1649C,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。,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。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%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,现代航空燃气轮发动机由于涡轮部件采用气膜冷却致使其气动效率由90%降至80%85%。,火焰筒壁传热过程,火焰筒的内壁与高温燃气或冷却气膜有对流换热，其热流密度为qcl。火焰筒内壁与高温燃气和烟粒有辐射换热,其热流密度qR1。火焰筒壁内有径向、轴向和周向的导热。因筒壁很薄,轴向和周向的导热热流通常可略,径向的导热