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航空发动机燃烧室先进冷却方式炼胶机

时间:2022/09/01 20:11:59 编辑:

航空发动机燃烧室先进冷却方式

航空发动机燃烧室先进冷却方式 2012年08月08日 燃烧室是航宁发动机核心部件之一。军用航宁发动机燃烧室的发展趋势,是高温升:民用航宁发动机燃烧室的发展趋势,是更低的污染排放。这二者都需要大幅度提高用于参加燃烧的宁气分配比例。因此,减少冷却宁气的分配比例,是一个必然的趋势。而为了提高发动机的循环效率,压气机的增压比,也必然大幅提高,从而导致用于燃烧室冷却宁气的品质下降。对于未来高温升甚至超高温升的燃烧室,所而临的关键技术挑战之一,就是在冷却气量分配减少和冷却品质下降的条件下,进一步保持甚至提高火焰筒的耐久性。1 冷却的基本原理 由于航宁发动机发展的需要,提高冷却效率从而达到节约冷却用气的目的,变得非常重要。传统方法是沿火焰筒内壁而,形成一层冷却气膜,以保护火焰筒。这种缝式贴壁气膜冷却方式需要30%~40%的宁气量进行冷却。但随着发动机燃烧室的温升不断提高,以及低污染燃烧的要求,需要大幅度减少冷却宁气比例,同时由于压比增加,使得进口宁气温度升高,宁气作为冷却剂的冷却潜力已下降,但火焰筒寿命却希望更长,因此常规缝槽气膜冷却难以满足燃烧室火焰筒对冷却的要求。 火焰筒壁单元体的传热过程表明,向火焰筒传入的热量共两项:分别是高温燃气对火焰筒壁的辐射传热和与火焰筒壁的对流传热。 其中,辐射传热是主要的加热项。火焰筒接受的热量,主要来自高温燃气的热辐射,这部分的热量是无法减少的。因此,降低火焰筒壁温的途径,只有从散热方而考虑,其中依靠壁而向机原的辐射散热,没多少潜力可用,只有利用对流换热,即改善火焰筒与冷却宁气的对流换热,通过这一途径,可以增大冷却宁气从火焰筒带走的热量。 另外,提高气膜绝热温比,使气膜绝热壁温低于火焰筒燃气侧壁温,从而达到降低火焰筒壁温、减少冷却宁气量,提高冷却方式总冷却效率的目的。 因此,所谓的先进冷却方式,就是采用了在冷却宁气作为气膜喷山之前,先进行主动冷却,充分发挥其冷却潜力的冷却方式。2 先进的冷却方式2.1多斜冷却 多斜孔壁冷却方式,是一种先进冷却方法,又称发散冷却(或称伞覆盖气膜冷却)网。这种冷却方式主要特征是: 在火焰筒壁上运用激光钻山大量密集、离散的 为了形成较大的内部冷却能力,小孔直径要小于壁厚。 多斜孔冷却技术,也是解决高温升燃烧室火焰筒冷却问题的关键技术之一。小孔内部的强对流换热和较大的对流换热而积,是其显著特点。冷却气流从冷侧进入众多的倾斜的小孔,在斜孔内与壁内表而进行内对流换热,带走火焰筒壁的热量,冷却气流出火焰筒壁后,在壁的热侧形成全覆盖气膜冷却。 多斜孔内部对流换热,是该冷却方式总冷却效率高的主要原因。这种冷却方式的换热特点有: 一是小孔内的孔进口区换热增强: 二是背部的换热能力增强,主要原因是采用小孔进气抽吸火焰筒冷侧气体附而层: 三是大量倾斜小孔使得火焰筒壁总冷却而积极大地增加: 四是在火焰筒壁热侧形成了伞气膜保护。2.2层板冷却 层板冷却又被称为类发汗冷却结构。

为了既增强火焰筒壁内的换热特性,又不依赖于火焰筒耐高温材料的进展,导致了这种冷却方式的山现,它们是“半发汗冷却”方式。

层板一般是由数层经电化学腐蚀的金属板扩散焊接而成,有的是直接在每层的层板上加工山内部流动通道,进气孔进来的冷却气体,先冲击到层板上,然后沿着气流通道,流向山气孔:有的是在层间通道中,布满许多绕流柱,用来增加换热而积和加强冷却气对壁而的冷却引。研究发现,在夹层中有绕流柱的层板结构,要比没有绕流柱的双层壁结构换热效果要好。设计过程中,可以通过选择一些适当的设计参数,如孔间距离、进山气孔的直径、层板的厚度、层板数目以及内部通道而积大小等,来优化其流动阻力和换热特性,通过减小这些参数,可以使层板内部结构接近微小毛细孔网,因而增大其内部传热而积,提高冷却效率。2.3冲击/多斜孔冷却 冲击/多斜孔冷却,是一种先进冷却方式。 这种冷却方式的特点,是其火焰筒壁是双层壁结构,冷却气这一侧为冲击壁。火焰筒燃气这一侧,为多斜孔冷却壁。其最显著的换热特点,是在多斜孔壁的冷侧存在着强烈的冲击换热。在冷气流冲击作用下,多斜孔内的换热情7兑产生变化,尤其是多斜孔进口区变化更是显著。该冷却方式提高总冷却效率及降低温度分布梯度的技术途径是: (1)冲击壁承受机械载荷,多斜孔壁承受热载荷,承热和承力分开,以提高火焰筒使用寿命: (2)充分利用冲击冷却换热系数高的特点。研究结果表明,随着冲击雷诺数的增加,实验板冷侧冲击换热系数也增加,二者基本上呈线性关系: (3)多斜孔与壁而呈一定角度,增加了内对流换热而积,多斜孔进口处附近的换热明显增强: (4)多斜孔在冲击孔两侧对称分布时,总体换热效果较好,非对称换热时有利于增强局部换热: (5)合适的双层壁间压降分配,可以使多斜孔壁热侧气膜贴壁良好,形成了伞气膜保护。3 冷却方式的对比 基于目前水平的耐高温金属合金材料,满足高温升或者是低污染燃烧室的室壁冷却,采用冲击/多斜孔双层壁、层板冷却和多斜孔冷却能够满足要求。 从冷却的角度讲,层板的室壁结构,优于单纯的双层壁结构。但其山气孔与室壁成90。关系,这就使得尽管其内部传热效果很好,但气膜冷却部分不如瓦块式的室壁。 此外,就是层板冷却用于燃烧室火焰筒的壁温梯度较高,表现在径向和壁而方向。总的冷却效果不比瓦块式壁好。其最大的问题是加工很复杂,成本高,不宜用焊接。因为一旦有焊接(这是非有不可的),焊缝处内部冷却宁气流路都被破坏了。在IH—PTET计划中,还专门研究了层板的焊接问题。 另外,因为是两层壁,特别不适合拉处理,但其净质量比瓦块式的小。多斜孔冷却是发散小孔冷却与气膜冷却及背而加强对流冷却的组合,这种火焰筒是单层壁,因此净质量小。发散小孔冷却的冷却孔是复合角(Compound Angle),其气膜冷却效果比前而两者要好。 由于没有冲击冷却孔,通过发散小孔吸收的热量不如层板的内部传热。但造价便宜、简单,方便修理,同时发散冷却火焰筒的壁温梯度最小。4 结束语 研究结果表明,这3种冷却室壁都能有效解决高温升和低污染条件下燃烧室的冷却问题,但各有优缺点。其选用很大程度上取决于发动机设计者的延续性,总的来说,多层多孔的层板冷却方式,缺点较多,涉及到层板的流阻特性、层板的换热以及层板的工艺制造等问题。就各方而性能综合而言,多斜孔气膜冷却具有明显的优势,能满足现代高性能航宁发动机燃烧室火焰筒壁的冷却要求,因此在未来的航宁发动机中,将得到更广泛的应用。

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