CN108223021A - 一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法 - Google Patents

一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种叶片空气气膜和水发散复合冷却的方法。它是让飞机发动机携带一定重量的水(比如说120kg)，这120公斤水只需要在飞机从加速时刻开始到起飞升空起飞的120秒钟使用。冷却水利用飞机发动机压气机的压力，通过喷嘴喷入隔热的挡板(front cover plate)和转子之间，在离心力分层的作用下，冷却水输送到叶片的水冷通道。叶片表面有两种冷却气孔，一种是空气气膜气孔，另一种水发散复合冷却气孔。水在叶片中加热蒸发，从这些小孔散发到叶片的表面，和气膜冷却的气体一起形成冷空气的保护层(热保护)减少和主要流体(main flow)的换热。本发明解决了军用飞机发动机在起飞加力的时候动力不足，疲劳寿命短的问题。

Description

一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法
技术领域
本发明属于军用飞机发动机技术领域，特别涉及一种透平空气工质叶片气膜(film cooling)和水工质发散(transpiration cooling)复合冷却的方法。
背景技术
涡轮叶片是飞机发动机涡轮转子的重要部件。叶片负责从燃烧室产生的高温高压气体中提取能量推动转子运转。涡轮叶片可能因为受到离心力和高阶疲劳应力 (HCF)、高温产生的温度应力和蠕变而破坏。
现代军用发动机，追求大的推重比。在恒定的压力比下，热效率随着最大温度的增加而增加。但是，进一步提高温度受高压涡轮(HPT)转子和叶片材料的高温强度的限制。涡轮叶片冷却技术的提高可以进一步加大发动机推力，提高转子的寿命。
涡轮叶片冷却技术是不是两大类：叶片内部冷却和叶片外部冷却。
叶片内部冷却只相对较早的技术包括对流冷却和冲击冷却。叶片外部冷却气膜冷却和发散冷却(也叫发汗冷却)。
气膜冷却是通过压缩的冷却空气从叶片的多个小孔结构出来，在叶片的外表面上产生冷却空气的薄层，气膜冷却空气(secondary flow)的保护就减少和主要流体(mainflow)的换热。
发汗冷却是冷却空气是通过多孔的壳体泄漏的。多孔冷却的机理是两个过程的结合：内部传热：当冷却剂从多孔基体中带走热量时。外部传热：冷却空气均匀地覆盖整个叶片与凉爽的空气这样就减少和主要流体(main flow)的换热(热保护)。
本发明揭示一种叶片空气气膜和水发散复合冷却的方法。它是让飞机发动机携带一定重量的水(比如说120kg)，这样的120公斤水只需要在飞机从加速开始到起飞升空起飞的一百二十秒钟使用就足够了。
美国联邦飞行管理局(FAA)规定商业飞机的低周疲劳(LCF)寿命是一万次起降。飞机发动机寿命计算是根据起飞时的最大应力和飞机在地面空转(idle) 时刻应力。军用飞机发动机考虑了加力(afterburn)和空中格斗等一系列任务 (composite mission)，这样的寿命等效成低周疲劳(LCF)更短，只有一两千次。飞机正在跑道上。从加速开始到起飞升空起飞的一百二十秒钟。飞机发动机推力最大通常，航空母舰行型的发动机会伴随加力，转子转速最大，HPT叶片温度最高。在起飞这个时候采用水冷效果最好。HPT叶片温度是发动机效率和推力的瓶颈。在HPT叶片这个位置用水冷效果最好。
冷却水利用飞机发动机压气机的压力，通过喷嘴喷入隔热的挡板(front coverplate)和HPT转子叶轮之间，并且和原有的冷却空气混合。在离心力分层的作用下，冷却水输送到叶片的水冷通道，而原有的冷却空气走原有的空气通道。叶片表面有两种类型的孔，一个是为了气膜冷却用的，一个是为了发散冷却用的。发散冷却用的是一种盲孔，它的盲端是由叶片的多孔隔热陶瓷材料 (thermal barrier coatings)组成。水在叶片中加热蒸发，从这些小孔散发到叶片的表面，和气膜冷却的气体一起形成冷空气的保护层(热保护)减少和主要流体(main flow)的换热。在保留现代军机发动机原有的气膜冷却的基础上增加了水的发汗冷却。所以，这样的冷却效果会比原有的效果还要好
本发明是在世界上最先进的军机使用的空气气膜冷却的基础上创新改进，它有以下特点：
1.可以大幅提高飞机发动机的起飞时的推力
2.可以大幅提高飞机发动机转子和叶片的低周疲劳寿命(LCF)
3.可以提高透平进气温度，提高飞机发动机的效率
4.减少了转子叶片热变形，从而提高了转子气密性的设计。减少漏气，提高效率。
5.对叶片气动动性能的影响：好的空气气膜和水发散复合冷却设计可以提高对叶片气动动性能，减少阻力系数。
6：本发明对原有的发动机转子改动非常少，叶片内部增加了小的水冷通道，叶片的频率基本不变。前护板(front cover plate)基本不动或者稍作改动。
7：本发明是在军用飞机的起飞和加力关键时刻，进行了水冷处理。由于汽化潜热的原因水冷比空气冷却冷却效果高数倍，即使是水蒸汽冷却也会比空气冷却效果至少高两倍以上。
8：本发明是在保留现代军机发动机原有的气膜冷却的基础上增加了水的发汗冷却。所以，这样的冷却效果会比原有的效果还要好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叶片空气气膜和水发散复合冷却的设计方法。
解决了军用飞机发动机在起飞加力的时候动力不足，疲劳寿命短的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
叶片空气气膜和水发散复合冷却的设计方法，包括以下步骤：
第1步：它是让飞机发动机携带一定重量的水(比如说120kg)，比如说是一百二十公斤。装水的容器一端连到高压的压气机。另一端连到这个垂直方向的喷嘴上，如图1所示。
进一步，在飞机在跑道上，从加速的时刻当打开阀门时，旋转压气机产生的产生的压力足以使水按一定流量被挤入一个的喷嘴并且维持至少120秒钟的水量。冷却水利用飞机发动机压气机的压力，通过喷嘴喷入隔热的挡板(front cover plate)和HPT转子叶轮之间。
进一步，由于挡板(front cover plate)和转子叶轮旋转，在离心力的作用下，水送到叶片的根部。叶根下面有两个孔，一个是水孔，一个是空气孔。在离心力的作用下冷却水进入水孔。
进一步，叶片内有两种通道：冷却水输送到叶片的水冷通道；而原有的冷却空气走原有的空气通道。
进一步，冷却空气有两种处理办法：
1.第一种处理办法是：使用同一个垂直的喷嘴。做成一个同心圆管道，里面管道可以喷射水。外面是冷却空气。
2.另外一种方式，在轮盘的另一侧使用喷嘴使用的水平的喷嘴。这样水冷通道和气冷通道互不相不混合，如图2所示。
进一步，叶片表面有两种类型的孔，一个是为了气膜冷却用的，一个是为了发散冷却用的。发散冷却用的是一种盲孔，它的盲端是由叶片的多孔隔热陶瓷材料(thermalbarrier coatings)组成。在离心力压力和毛细管现象的作用下。水蒸汽从叶片表面蒸发带走热量。如图3所示。
进一步，水从液态在叶片中加热后。内部传热：变成水蒸汽带走了大量的汽化潜热。同时水的温度变化。水蒸汽的温度变化。由于焓不同带走大量的热量。外部传热：冷却空气均匀地覆盖整个叶片与凉爽的空气这样就减少和主要流体 (main flow)的换热(热保护)。
这样在保留现代军机发动机原有的气膜冷却的基础上增加了水的发汗冷却。所以，这样的冷却效果会比原有的效果还要好。
整个叶片空气气膜和水发散复合冷却的设计过程中最核心的是使用ANSYS CFX或Fluent。
三维流体力学计算，其中包括
第一，考虑旋转边界离心力条件下的气液两相流计算。
第二，水蒸汽通过多孔介质的流体计算。
第三，气膜冷却和发汗冷却混合的叶片表面换热计算。
第四，气膜冷却下和发汗冷却下的空气动力学计算。
实用型可行性研究：
1.担心水会氧化破坏飞机发动机部件。
发动机进气道溅水试验是也民用喷气客机适航审定的重要科目，主要验证在积水跑道上滑行、起飞和着陆过程中，飞机进气道可能吸入的水是否对发动机稳定工作造成影响，如图4所示。
2.携带100kg水，可以起多大作用？对一个10-20吨重飞机来说，100Kg的水重量影响几乎是微乎其微。可是一百公斤水从二十度加热到一百四十度蒸汽的时候可以带走多少热？
Q＝CMΔT+MΔH
水的比热容1Kcal/Kg C。
(140-20)*100＝12000Kcal
汽化热：540.00Kcal/KG
12000+540*100＝66000Kcal
答案：这样一百公斤的水带走热可以使220公斤的镍洛合金叶片降低温度 300C。
Nickel/Chromium水的比热容C：0.106Kcal/Kg C
Q＝CMΔT
66000＝0.106*M*ΔT
ΔT＝300 M＝2200KG
3.离心力产生的静水压力5.625MPa
假设水在半径0.1m和半径0.4m之间，转速30000/分时候的压差。 F＝m*Ω^2*R＝ΔH*A*ρ*Ω^2*R
P＝F/A＝ΔH*ρ*Ω^2*R
对R积分以后：P＝(H2-H1)*ρ*Ω*^2*(H2^2-H1^2)/2
＝(0.4-0.1)*1000*500^2*(0.4^2-0.1^2)/2
＝5.625MPa
附图说明
图1为垂直喷嘴高压透平HPT叶片冷却装配示意图；
图2为水平喷嘴高压透平HPT叶片空气冷却示意图；
图3为叶片表面多孔材料空气气膜和水发散复合冷却意图；
图4为发动机进气道溅水试验示意图。

Claims (7)

1.本发明揭示一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，它是让飞机发动机携带一定重量的水(比如说120kg)，这120公斤水只需要在飞机从加速时刻开始到起飞升空起飞的120秒钟使用。飞机发动机叶片表面形成一种空气气膜和水发散同时存在的复合叶片冷却的方法。飞机发动机在120秒钟之后可以恢复只有空气冷却。
2.根据权利要求1所述的一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，在飞机发动机压气机旋转工作的时候，当打开阀门时，压气机产生的产生的压力足以使携带的水按一定流量被挤入一个的喷嘴。通过喷嘴喷入隔热的挡板(front cover plate)和转子之间。
3.根据权利要求1所述的一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，隔热的挡板(front cover plate)和HPT转子叶轮之间水由于离心力的作用送到叶片的根部。叶根下面有两个孔，一个是水孔，一个是空气孔。在离心力的作用下冷却水进入水孔。
4.根据权利要求1所述的一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，叶片表面。有两种类型的孔，一个是为了气膜冷却用的，一个是为了发散冷却用的。发散冷却用的是一种盲孔，在离心力压力的作用下和毛细管现象的作用下。水蒸汽从叶片表面蒸发带走热量。
5.根据权利要求1所述的一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，冷却空气有两种处理办法，
A：第一种处理办法是：使用同一个垂直的喷嘴。做成一个同心圆管道，里面管道可以喷射水。外面是冷却空气。这样水冷工质和气冷工质相互混合。
B：另外一种方式，在轮盘的另一侧使用喷嘴使用的水平的喷嘴。这样水冷工质和气冷工质互不混合。
6.根据权利要求1所述的一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，保留原有的气膜冷却的基础上增加了水的发汗冷却。内部传热：水从液态在叶片中加热后，变成水蒸汽带走了大量的汽化潜热。同时水的温度变化，水蒸汽的温度变化。由于焓不同带走大量的热量。外部传热：冷却空气均匀地覆盖整个叶片与凉爽的空气这样就减少和主要流体(main flow)的换热(热保护)。
7.根据权利要求1所述的一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法，其特征在于，整个叶片空气气膜和水发散复合冷却的设计过程中最核心的是使用ANSYS CFX或Fluent。
三维流体力学计算，其中包括
第一，考虑旋转边界离心力条件下的气液两相流计算。
第二，水蒸汽通过多孔介质的流体计算。
第三，气膜冷却和发汗冷却混合的叶片表面换热计算。
第四，气膜冷却下和发汗冷却下的空气动力学计算。
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