CN101709656B - 一种提高叶片冷却效率及级间/加力/通道燃烧室燃烧效率的耦合方法 - Google Patents

Abstract

一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，所述的叶片为涡轮叶片或加力燃烧室前支板叶片，所述的燃烧室为涡轮级间次燃烧室、加力燃烧室或通道内燃烧室。采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出；或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，将此混合气引入燃烧室并点火进行燃烧。本发明该方法既能提高叶片的冷却效率，又能提高燃烧室燃烧效率。

Description

一种提高叶片冷却效率及级间/加力/通道燃烧室燃烧效率的耦合方法

技术领域

本发明涉及一种同时提高叶片冷却效率及级间/加力/通道燃烧室燃烧效率的耦合方法，具体涉及航空发动机或燃气轮机中同时提高叶片冷却效率及级间/加力/通道燃烧室燃烧效率的耦合方法。

背景技术

随着现代航空发动机的快速发展，为了追求高推重比和高热效率，现代先进涡轮的进口温度越来越高。第三代战斗机所用的推重比7-8一级的发动机涡轮进口温度已达到1600-1700K，而第四代战斗机所用的推重比10一级的发动机的涡轮进口温度已经达到1900-2000K。美国的“综合高性能涡轮发动机技术计划”(Integrated HighPerformance Turbine Engine Technology，IHPTET)和欧洲的“先进军用发动机技术计划”(Advanced Military Engine Technology，AMET)中，发动机推重比的目标都定位在15-20，届时涡轮进口温度将会超过2200K。这样的高温已远远超过了许多金属所能承受的温度，使得发动机的热端部件工作在恶劣的环境中，严重影响其寿命和可靠性，因此就必须考虑热端部件的热防护问题。

对于航空发动机来说，涡轮是其主要的热端部件之一。如何在提高涡轮进口温度的同时保证其可靠性和寿命，就目前来讲，最主要的方法是设计合理高效的冷却系统。它可以降低叶片的温度，使温度分布更合理，从而大大降低叶片的热应力，提高叶片寿命。随着涡轮前温度的提高，对冷却效率的要求越来越高，冷却系统也越来越复杂。现在的涡轮冷却技术，通常是内部对流、冲击冷却，外部的气膜冷却或两者的复合冷却，这使得涡轮叶片内部的冷却通道非常复杂，导致加工难度大，工艺复杂，成品率低。所以如何提高冷却效率并且不增加涡轮叶片内部冷却通道的复杂程度，对于涡轮叶片而言具有重要的意义。

另一方面，对于现有的涡喷及涡扇发动机的燃烧室来说，提高燃烧效率对于降低耗油率和污染排放具有重要的意义。提高燃烧效率的主要方法有提高燃油压力、提高燃油温度、增强燃油雾化程度和增强燃油/空气掺混均匀程度等。加力燃烧室是用来使飞机能够超音速飞行，然而开通加力燃烧室，发动机不仅耗油率急剧增高，而且由于排气速度增大以及燃烧效率低导致排气噪音与污染排放很大。能不能找到一种方法降低加力燃烧室所带来的负面影响或者取代加力燃烧室，一种科学家以及工程师都非常认可的设计方案是去掉加力燃烧室，取而代之以涡轮级间次燃烧室(Inter-stage Turbine Burner，ITB)，这就是所谓的ITB发动机。图1给出了双转子ITB发动机理想循环的T-S图，由图可知，在ITB中，由于燃油在更高的压力下燃烧，因此其热效率比开加力时的热效率要高，介于不开加力与开加力的热效率之间。所以ITB发动机不仅可以提供飞机超音速飞行所需要的动力，并且可以减少氮氧化合物的排放量以及降低发动机的排气噪音。对于主燃烧室来说，一种可能的替代方法就是去掉传统的涡轮前的主燃烧室，直接将主燃烧室置于高压涡轮导叶通道中，这样以来就可以去掉复杂的主燃烧室，缩短发动机长度，减轻发动机重量。

无论对于通道内主燃烧室、加力燃烧室还是ITB来说，提高燃烧效率是至关重要的。另一方面，涡轮叶片以及加力燃烧室前支板叶片的冷却问题也是一个需要解决的关键问题。如果能找到一种既能提高叶片的冷却效率、又能提高燃烧室燃烧效率的设计方法，这无疑对提高航空发动机/燃气轮机的性能具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术中不足之处，提供一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，该方法既能提高叶片的冷却效率，又能提高燃烧室燃烧效率。

本发明所提供的技术方案为：一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特点在于：采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出，或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化，油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，将此混合气引入燃烧室并点火进行燃烧。

实现上述方法的过程如下：

(1)首先确定冷却叶片所需的燃油流量；

(2)对叶片进行气动设计和造型，满足叶片的气动性能；

(3)确定叶片冷却结构和内部的燃油流路结构，满足叶片的冷却效率；

(4)对叶片进行冷却和传热特性的试验及叶片强度振动特性的试验；

(5)组织燃烧室内的流动和燃烧，即包括选择火焰稳定装置、燃烧室冷却方式，以满足燃烧室的燃烧效率和冷却效果；

(6)采用数值模拟或者实验的方法，对上述叶片和燃烧室进行气动、冷却和强度全方面的检验和校核，如果不满足要求，则重复前述步骤(1)-(5)直至满足要求。

所述的叶片为涡轮叶片或支板叶片，所述的燃烧室为涡轮级间次燃烧室、加力燃烧室或通道内燃烧室。。

对于高压涡轮叶片和涡轮级间次燃烧室(ITB)的实现过程为：用燃油来冷却高压涡轮叶片，燃油在经过叶片内冷却通道时吸收叶片传导过来的热量，相变为气态即油蒸汽并从叶片的气膜孔或劈缝等流出，或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝等喷出迅速雾化；经过高压涡轮的导叶通道和动叶通道与高温燃气掺混后形成混合气，然后在ITB内进行燃烧。

对于加力燃烧室前的支板叶片和加力燃烧室的实现过程为：用燃油来冷却加力燃烧室前的支板叶片，燃油在经过叶片内冷却通道时吸收叶片传导过来的热量，相变为气态即油蒸汽并从叶片的气膜孔或劈缝等流出，或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝等喷出迅速雾化；经过支板通道与高温燃气掺混后形成混合气，然后在加力燃烧室内进行燃烧。

对于高压涡轮导叶和位于高压涡轮导叶通道内的主燃烧室的实现过程为：用燃油来冷却高压涡轮导叶叶片，燃油在经过叶片内冷却通道时吸收叶片传导过来的热量，相变为气态即油蒸汽并从叶片表面流出，或者形成超临界燃油并从叶片表面喷出迅速雾化；同时通过对通道内流动的合理组织形成合适的燃烧环境，在通道内进行燃烧。

本发明的原理是：由于燃油的比热比远大于空气，而且在冷却通道内可能发生相变，这就会吸收大量的热量，其对叶片的冷却效果要好于空气冷却，冷却效率更高。另一方面，燃油由于吸收叶片传导过来的热量而温度升高，会相变成油蒸汽从叶片表面流出，或者形成超临界燃油从叶片表面喷出迅速雾化，再通过叶片通道内高温燃气的加热与掺混，会形成温度较高的均匀混合气，然后进入燃烧室进行燃烧；由于混合气温度高均匀性好，所以燃烧效率要大大提高。

本发明与现有技术相比具有明显的优点：现有的叶片利用空气进行冷却，在相同的叶片冷却结构下，其冷却效率不如本发明中用燃油进行冷却的方法。现有的燃烧室是在燃烧室内进行喷油，燃油雾化成小油滴与空气进行掺混，然后再燃烧，而本发明中则是燃油在未进入燃烧室之前预加热，形成温度较高的油蒸汽(或超临界燃油)，或者形成温度较高的均匀混合气，然后再进入燃烧室进行燃烧，其燃烧效率要大大提高。而且在本发明中，混合气容易与空气掺混，掺混段较短，所以燃烧室的长度可以缩短，这样以来发动机的重量会减轻且可靠性提高。本发明的耦合方法不仅可以提高叶片的冷却效率，同时还可以提高燃烧效率，降低排放污染，减轻发动机重量，提高发动机可靠性，这对于提高航空发动机/燃气轮机的性能具有重要的意义。

附图说明

图1为ITB发动机理想循环T-S图；

图2为本发明实施例1的示意图；

图3a为冷却叶片的剖视示意图；

图3b为冷却叶片内的冷却结构示意图(叶高剖面)；

图4为本发明实施例2的示意图；

图5为本发明实施例3的示意图；

1.高压涡轮导叶；2.高压涡轮动叶；3.高压涡轮；4.涡轮级间次燃烧室(ITB)；5.过渡段；6.低压涡轮导叶；7.低压涡轮动叶；8.低压涡轮；9.冷却通道；10.气膜孔；11.尾缘劈缝；12.支板叶片；13.加力燃烧室；14.通道燃烧室

具体实施方式

下面将根据附图和具体实施例子对本发明进行更详细的说明。

实施例1：对于提高高压涡轮3叶片的冷却效率和涡轮级间次燃烧室(ITB)4的燃烧效率的实现过程。

如图2所示，高压涡轮3包括高压涡轮导叶1和高压涡轮动叶2，低压涡轮8包括低压涡轮导叶6和低压涡轮动叶7。高压涡轮3和低压涡轮8之间为过渡段5，涡轮级间次燃烧室(ITB)4位于过渡段5中。图3a和图3b为叶片内冷却结构的示意图，由于是示意图，所以图3a和图3b所表示的叶片可以是涡轮叶片(高压涡轮导叶1或高压涡轮动叶2)，也可以是其它叶片如支板叶片12。本发明的实施过程为：从发动机燃油系统中引入一定量的有压力的燃油，然后将燃油通入高压涡轮导叶1叶片和高压涡轮动叶2叶片。如图3a所示，燃油被引入叶片后便流入冷却通道9。燃油在流经冷却通道9时与叶片进行对流换热，沿程对叶片进行冷却。燃油由于吸收叶片传导过来的热量，所以温度会升高。燃油可在叶片内部冷却通道9中相变成油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔10和尾缘劈缝11等流出；或者在叶片内部冷却通道9形成超临界燃油，并从叶片表面的气膜孔10和尾缘劈缝11等喷出，然后迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，由于叶片通道内的高温燃气为强烈的湍流气流，所以掺混过程很迅速且掺混均匀性好。混合气在流出叶片通道后进入涡轮级间次燃烧室(ITB)4，然后点火进行燃烧。

具体的实现步骤如下：

(1)根据发动机总体参数(推力F、耗油率sfc、效率η等)和ITB所需要的油气比，确定ITB所需要的燃油流量

在已知

的基础上，结合涡轮叶片冷却要求来确定通入高压涡轮叶片的燃油流量

(2)根据发动机总体对涡轮性能要求得出各叶片排沿径向各截面的速度三角形、气动热力参数和级参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得设计结果，如不满足要求，则重复步骤(2)直到满足气动性能要求为止，如满足要求，则继续进行步骤(3)。

(3)对步骤(2)得到的叶片进行叶片冷却和传热特性分析，根据所需要的叶片冷却效率η_c和冷却燃油流量

选择涡轮叶片内部燃油流路和冷却结构，冷却结构可采用常规的内部对流/冲击冷却、外部气膜冷却或者两者的复合冷却，也可采用多孔结构等新型的冷却形式。由于本发明是用燃油来冷却叶片，所以冷却结构中一些参数与常规空气冷却方法有区别，可以通过数值模拟或实验来确定其参数。在本步骤实施过程中，不仅要保证叶片的冷却效率，而且要同时保证气动效率，将气动损失降到最低。

(4)进行叶片冷却和传热特性的数值模拟或试验，以及叶片强度振动特性的数值模拟或试验，如不满足要求，则重新回到步骤(2)，如满足要求，则继续进行步骤(5)。

(5)首先根据火焰稳定条件，对过渡段通道内的流动进行合理组织，降低气流速度，为燃烧提供有利环境。然后根据ITB内的油气比、燃烧要求和冷却要求等，对ITB中的燃烧进行合理组织。在ITB前端设计一个凸台或者其他火焰稳定装置，形成一个低速回流区，保证火焰的稳定燃烧。根据ITB的冷却要求和燃气出口温度的限制，将空气气流分为两股，一股气流和混合气掺混进行燃烧，另一股气流对ITB的壳体和衬筒等部件进行冷却，然后再与燃气进行掺混，使ITB出口燃气温度降低到低压涡轮前允许的温度。

(6)采用数值模拟或者实验的方法，对上述叶片和燃烧室进行气动、冷却和强度等全方面的检验和校核，如果不满足要求，则重复前述步骤直至满足要求。

实施例2：对于提高加力燃烧室前支板叶片12的冷却效率和加力燃烧室13的燃烧效率的实现过程。

如图4所示，支板叶片12位于加力燃烧室13前面。由于支板叶片12与实施例1中涡轮叶片的冷却结构相似，所以这里也用图3a和图3b来表示支板叶片的冷却结构示意图。本发明的实施过程为：从发动机燃油系统中引入一定量的有压力的燃油，然后将燃油通入从支板叶片12。如图3a所示，燃油被引入叶片后便流入冷却通道9。燃油在流经冷却通道9时与叶片进行对流换热，沿程对叶片进行冷却。燃油由于吸收叶片传导过来的热量，所以温度会升高。燃油可在叶片内部冷却通道9中相变成油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔10和尾缘劈缝11等流出；或者在叶片内部冷却通道9形成超临界燃油，并从叶片表面的气膜孔10和尾缘劈缝11等喷出，然后迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，由于叶片通道内的高温燃气为强烈的湍流气流，所以掺混过程很迅速且掺混均匀性好。混合气在流出叶片通道后进入加力燃烧室13，然后点火进行燃烧。

具体的实现过程如下：

(1)根据发动机总体参数(推力F、耗油率sfc、效率η等)和加力燃烧室所需要的油气比来确定加力燃烧室所需要的燃油流量

在已知的基础上，结合支板叶片冷却要求来确定通入支板叶片的燃油流量

(2)根据发动机总体对支板性能要求和支板的功能需求得出沿叶片径向各截面的速度三角形和气动热力参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得结果，如不满足要求，则重复步骤(2)直到满足气动性能要求为止，如满足要求，则继续进行步骤(3)。

(3)对步骤(2)得到的叶片进行叶片冷却和传热特性分析，根据所需要的叶片冷却效率η_c和冷却燃油流量

选择支板叶片内部燃油流路和冷却结构，冷却结构可采用常规的内部对流/冲击冷却、外部气膜冷却或者两者的复合冷却，也可采用多孔结构等新型的冷却形式。由于本发明是用燃油来冷却叶片，所以冷却结构中一些参数与常规空气冷却方法有区别，可以通过数值模拟或实验来确定其参数。在本步骤实施过程中，不仅要保证叶片的冷却效率，而且要同时保证气动效率，将气动损失降到最低。

(4)进行叶片冷却和传热特性的数值模拟或试验，以及叶片强度振动特性的数值模拟或试验，如不满足要求，则重新回到步骤(2)，如满足要求，则继续进行步骤(5)。

(5)首先根据火焰稳定条件，对支板通道和加力燃烧室通道内的流动进行合理组织，降低气流速度，为燃烧提供有利环境。然后根据加力燃烧室内的油气比、燃烧要求和冷却要求等，对加力燃烧室中的燃烧进行合理组织。在加力燃烧室前端设计火焰稳定装置，形成一个低速回流区，保证火焰的稳定燃烧。根据加力燃烧室的冷却要求，需要对加力燃烧室壳体和衬筒等部件进行冷却，冷却方式可采用气膜冷却或发汗冷却等方式。

(6)采用数值模拟或者实验的方法，对上述叶片和燃烧室进行气动、冷却和强度等全方面的检验和校核，如果不满足要求，则重复前述步骤直至满足要求。

实施例3：对于提高高压涡轮导叶1的冷却效率和通道燃烧室14的燃烧效率的实现过程。

如图5所示，通道燃烧室14位于高压涡轮导叶1的通道中。本发明的实施过程为：从发动机燃油系统中引入一定量的有压力的燃油，然后将燃油通入高压涡轮导叶1叶片。如图3a所示，燃油被引入叶片后便流入冷却通道9。燃油在流经冷却通道9时与叶片进行对流换热，沿程对叶片进行冷却。燃油由于吸收叶片传导过来的热量，所以温度会升高。燃油可在叶片内部冷却通道9中会相变成油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔10和尾缘劈缝11等流出；或者在叶片内部冷却通道9形成超临界燃油，并从叶片表面的气膜孔10和尾缘劈缝11等喷出，然后迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油直接进入通道燃烧室14，然后进行掺混和燃烧。

具体的实现步骤如下：

(1)根据发动机总体参数(推力F、耗油率sfc、效率η等)和燃烧室所需要的油气比来确定燃烧室所需要的燃油流量

在已知

的基础上，结合涡轮叶片冷却要求来确定通入高压涡轮导叶的燃油流量

(2)根据发动机总体对涡轮性能要求得出沿导叶径向各截面的速度三角形和气动热力参数；然后完成叶片型面造型、叶型积叠，最后经全三维粘性流场计算分析验算所得设计结果，如不满足要求，则重复步骤(2)直到满足气动性能要求为止，如满足要求，则继续进行步骤(3)。

(3)对步骤(2)得到的叶片进行叶片冷却和传热特性分析，根据所需要的叶片冷却效率η_c和冷却燃油流量

选择涡轮叶片内部燃油流路和冷却结构，冷却结构可采用常规的内部对流/冲击冷却、外部气膜冷却或者两者的复合冷却，也可采用多孔结构等新型的冷却形式。由于本发明是用燃油来冷却叶片，所以冷却结构中一些参数与常规空气冷却方法有区别，可以通过数值模拟或实验来确定其参数。在本步骤实施过程中，不仅要保证叶片的冷却效率，而且要同时保证气动效率，将气动损失降到最低。

(4)由于燃烧室直接位于导叶通道中，所以导叶的气动、冷却和燃烧室燃烧组织是耦合在一起的。在步骤(2)和步骤(3)的基础上，根据燃烧要求并结合气动要求和冷却要求，对燃烧室内的流动进行合理组织，降低气流速度和形成低速回流区，为稳定燃烧提供有利环境；并且力求降低导叶通道内流动损失，保证导叶的气动效率，而且要保证叶片的冷却，使叶片不至于被高温气流烧蚀。

(5)进行叶片冷却和传热特性的数值模拟或试验，以及叶片强度振动特性的数值模拟或试验，如不满足设计要求，则重新回到步骤(2)，如满足设计要求，则继续进行步骤(6)。

(6)采用数值模拟或者实验的方法，对上述叶片和燃烧室进行气动、冷却和强度等全方面的检验和校核，如果不满足要求，则重复前述步骤直至满足要求。

本发明上述各实施例中的具体实施过程均为本领域技术人员的公知常识。

显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的所有实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特征在于：采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出；或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化；油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，将此混合气引入燃烧室并点火进行燃烧。

2.根据权利要求1所述的提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特征在于：所述的叶片为涡轮叶片或支板叶片，叶片内部冷却结构采用多孔结构形式。

3.根据权利要求1所述的提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特征在于：所述的燃烧室为涡轮级间次燃烧室、加力燃烧室或通道内燃烧室。

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