CN108547668A - 一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明在保留现代军机发动机原有的燃气循环的基础上增加了利用废热的水蒸汽循环。它是从高压压气机中抽气，利用该压力推动水通过喷嘴喷入隔热挡板和高压透平之间。把原有的隔热挡板设计成一个离心压缩机叶轮。水在离心压缩机的作用下挤入叶片的根部。水在高温叶片中受热蒸发并在叶片的出气边顺着出去边的角度喷出。高温叶片的降温，喷射出去的水蒸汽的反作用力，增加了的混合工质密度都增加了发动机的推力。这个水蒸汽循环有独立的工质，有独立的热源，有独立的压气机，独立的静叶，和燃气循环分享的动叶。它几乎没有增加重量，没有占用的空间的。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，提高了热效率。

Description

一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法
技术领域
本发明属于飞机发动机和飞机发动机衍生的燃气轮机技术领域，特别涉及一种新的蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法。
背景技术
1.蒸汽轮机主要包括锅炉，汽轮机和冷凝器三个部分。它是燃料在锅炉燃烧室中燃烧，把锅炉中的水变为一定压力和温度的水蒸汽。蒸汽通过管道进入汽轮机，膨胀做功推动汽轮机转动做功后的蒸汽回到冷凝器被冷却成水再送回锅炉进行下一个循环。
2.燃气轮机也是三个部分，压气机，燃烧室和燃气涡轮。它是空气从空气入口进入燃气轮机，高速旋转的压气机把空气压缩为高压空气后送入燃烧室，燃料在燃烧室燃烧，产生高温高压燃气，高温高压燃气在涡轮机中膨胀做功推动涡轮做功
3.航空燃气涡轮发动机改型的地面燃气轮机。
地面燃气轮机大体可以分为两类：一类是工业型，一类是航机改装型.工业型是按地面要求而设计的，主要的要求是寿命长，能长期安全运行，少用贵重金属材料。航空发动机改装的燃气轮机，主要是去掉尾喷管并适当改进后，加装动力涡轮；对涡轮风扇发动机，去掉或改变前面的风扇部分，适当变更涡轮，去掉尾喷管，加装动力涡轮。航空燃气涡轮发动机改型主要特点是：体积小重量轻，单位重量发出的功率大。
4.燃气轮机联合循环
燃气轮机联合循环是指将燃气轮机和蒸汽轮机组合起来的一种发电方式，主要由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机三部分构成。把燃气轮机和蒸汽动力装置联合成为一个整体的装置。根据热力学第二定律，对任何一种热力发动机，循环工作介质的加热温度越高、放热温度越低，热效率就越高。20世纪70年代末，燃气轮机中的燃气初温已过1200℃，加热温度是很高的，但它的放热温度也高，约为450～550 ℃，不少热量随排气进入大气，故热效率最高只达38％。现代的大型蒸汽动力装置因受结构和材料的限制，新蒸汽温度一般不超过600℃，但它的放热温度也较低，热效率最高只达38～39％。燃气-蒸汽联合循环装置(简称联合循环装置)能把两者的优点结合起来。它的循环既具有燃气轮机的加热高温，又具有蒸汽动力装置的放热低温，从而有较高的热效率。联合循环发电效率近57-58％.
5.现代燃气轮机技术被认为是高效洁净利用化石资源的很好技术，尤其是湿空气透平循环被誉为21世纪的新型动力循环。湿空气透平循环的工质是在传统工质中注入水或水蒸气，水蒸气比热容大，传热好，有良好的膨胀和载热性能，湿化后可以提高循环的效率。
本发明揭示一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法。在世界上先进的军用飞机发动机的基础上创新改进。从高压压气机中抽气，用高压压气机的压力推动水通过喷嘴喷入隔热挡板和高压透平之间。把原有的隔热挡板 (front cover plate)设计成一个离心压缩机叶轮。这个离心压缩机叶轮和平行的高压透平(HPT)叶轮一起旋转。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流的水雾并把水雾挤入叶片的根部。叶片中有两种互不相连的通道：水蒸汽通道和空气通道。气液两相流进入叶片根部的水孔后。被高温叶片加热，形成水蒸汽。叶片中的空气通道的空气对叶片进行气膜冷却。叶片中的水蒸汽，除了通过多孔介质参与发汗冷却以外。主要是在叶片的出气边(trailingedge)顺着出去边的角度喷出。这里把这种叶片取名叫喷射叶片(jet blade)。喷射叶片是一种反动式叶片，它的喷嘴埋藏在叶片中。喷水叶片喷射出去的水蒸汽增加了叶片气动的升力，另外一个分量增加了发动机的推力。喷射出去的水蒸汽和原有的热空气形成了燃气和水蒸汽混合工质。
本发明的创新是：燃气循环结构保持不变，增加了水蒸汽循环。如表1所示，水蒸汽循环有独立的工质，有独立的热源，有独立的压气机，独立的静叶，和燃气循环分享的动叶。在燃气循环结构的基础上稍加改进，几乎没有增加重量，没有占用多的空间。它是以燃气循环为主的高效一体机。水蒸汽循环是利用飞机发动机高压压气机(HPC)的压力，再加上轻薄的隔热板离心式压气机产生压力。利用高压透平(HPT)叶片余热或着称为废热，加热蒸发水蒸汽工质，同时冷却了高压透平高温叶片。随着水蒸汽在叶片内部的流道上(相当于汽轮机的静叶) 膨胀做功并且从叶片出气边喷出。该叶片既是燃气轮机的动叶，又是蒸汽循环的喷气叶片。喷出的水蒸汽混入主流对其他的低压透平叶片做功。这个蒸汽循环是背压式透平的，没有冷凝器的开放式循环。本发明在保留现代军机发动机原有的燃气循环的基础上增加了利用废热的水蒸汽循环。所以，这样新的蒸汽循环辅助燃气循环的热效率会比原有的高。燃气循环和蒸汽循环的比较，如表1所示.
表1燃气循环和蒸汽循环的比较
本发明的有两个用途：
1.军用飞机发动机：通过携带一定量的水，一定量的水可以是几百公斤，足以在飞机起飞的100秒内使用，起降温和增加推力作用。
2.航空燃气涡轮发动机改型的地面燃气轮机：由于体积小重量轻，这样的装置主要用在轮船火车上或者地面的固定装置上。携带一定量的水不成问题，携带的量通常和燃油成正比。水蒸汽可以大幅提高飞机发动机的效率，节省燃油。同时水可以大幅降低了叶片的温度。可以采用比较价钱低廉的叶片材料，甚至不需要空气冷却。
本发明是在先进的军机使用的燃气蒸汽循环的基础上创新改进，它有以下特点：
1.可以提高飞机发动机的起飞时的推力
2.可以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.水在离心泵获得高较压比，因而热效率高。
6.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。
7.本发明对原有的发动机转子改动非常少，叶片内部增加水蒸气喷嘴通道和叶片出气边喷嘴，创立新的喷气叶片(jet blade)，前隔热的挡板(front cover plate)改成离心叶轮。
8.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燃气轮机循环的基础上增加了的新蒸汽循环。所以，新的燃气蒸汽联合循环的热效率会比原有的高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法。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，航空燃气涡轮发动机改型的地面燃气轮机效率不高的问题。和传统的一种燃气蒸汽联合循环相比，有着体积小，重量轻的特点。
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：让飞机发动机携带一定重量的水，通过高压的压气机压力，把水从喷嘴喷入隔热的挡板(front cover plate)和HPT叶轮之间，如图1所示。图1是本发明的根据，表示喷嘴，隔热的挡板和HPT叶轮之间的位置关系，并不是最后的装配图。
进一步，把隔热的挡板(front cover plate)根据水流量设计成封闭式离心压缩机叶轮，如图2所示。主要是利用隔热的挡板的曲面圆形形状，原有的隔热的挡板变成曲面圆形封闭式离心压缩机叶轮。封闭式离心压缩机叶轮和HPT叶轮之间为冷却空气通道。图2仅仅是个示意图，没有反映曲面圆形形状，也没有反映它和高压透平叶轮的平行位置。
进一步，离心压缩机叶轮作为高压转子的一部分和高压透平(HPT)一起同步旋转。这个离心压缩机叶轮也起隔热的挡板作用。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流的水雾并把水雾挤入叶片的根部。如果商业飞机高压转子有两级叶轮，可以使用两个离心压缩机叶轮，也可以共用一个。叶根下面有两个孔，一个是水孔，一个是空气孔。在离心压缩机叶轮的作用下冷却水雾进入水孔。
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。冷却水雾在叶片水冷通道受HPT高温加热蒸发，主要通过喷气叶片出气边如图3所示喷出，增加发动机推力。另一部分水蒸汽从叶片表面蒸发带走热量。这个喷气叶片既是燃气循环的动叶叶片，也是蒸汽循环的静叶喷嘴和发动式动叶片。图3仅仅是个示意图，反映水蒸气从喷气叶片出气边喷出，并不反映哪一个是水蒸汽通道，哪一个是燃气通道。也没有反映水冷通道静叶喷嘴的流道截面变化。
进一步，离心压缩机叶轮的水和空气流量比较关键。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流。由于发动机高压转子高速旋转产生空泡现象(cavitations)，不太可能把离心压缩机设计成高速离心水泵。气液两相流必须设计成一空气为主流体，液体占一定的体积比(volume faction)。由于水的密度大，在离心力的作用下和空气分层使得更多的水挤入叶片的水孔是设计要求之一。
进一步，离心压缩机叶轮的水的流量必须满足：水在离心压缩机保持液体；水叶片中的全部蒸发的蒸发量来确定；水不可以以液体形式从叶片喷出。水流量太大，离心压缩机消耗功率太多，水在喷气叶片来不及蒸发。水流量太小，叶轮温度过高，水在离心泵叶轮就蒸发完了。
进一步，叶片表面有两种类型的孔，一个是为了空气气膜冷却用的，一个是为了水蒸气发散冷却用的。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。在离心力压力和毛细管现象的作用下。这部分水蒸汽从叶片表面蒸发带走热量。
进一步，冷却空气的处理办法是在轮盘的另一类似的个喷嘴。把空气喷入封闭式离心泵叶轮和HPT叶轮之间为冷却空气通道.这样水冷通道和气冷通道互不相不混合。
本发明在保留现代军机发动机原有的燃气循环的基础上增加了利用废热的水蒸汽循环。所以，这样的新燃气蒸汽联合循环的热效率会比原有的高。
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，离心压缩机的气液两相流流体力学计算CFD。
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，喷射叶片空气动力学反作用力计算。
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为离心压缩机叶轮示意图；
图3为喷气叶片示意图。

Claims (8)

1.本发明揭示一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法。其特征在于，燃气循环结构保持不变，增加了水蒸汽循环。如表1所示，水蒸汽循环有独立的工质，有独立的热源，有独立的压气机，独立的静叶，和燃气循环分享的动叶。在燃气循环结构的基础上稍加改进，几乎没有增加重量，没有多占用空间。新的热力系统是以燃气循环为主的高效一体机。
2.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，蒸汽循环是让飞机发动机携带一定重量的水，通过高压的压气机压力，把水从喷嘴喷入封闭式的离心压缩机叶轮内；水在离心压缩机保持液体，在离心压缩机叶轮的作用下，水送到叶片的内部；水在高压透平(HPT)叶片内部的流道上加热蒸发，膨胀做功并且从叶片出气边喷出。
3.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，独特的蒸汽循环压气机：把隔热的挡板(front cover plate)设计成离心压缩机叶轮。主要是利用隔热的挡板的曲面圆形形状，原有的隔热的挡板变成曲面圆形封闭式离心压缩机叶轮。封闭式离心压缩机叶轮和HPT叶轮之间为冷却空气通道。离心压缩机叶轮作为高压转子的一部分和高压透平(HPT)一起同步旋转。这个离心压缩机叶轮也起隔热的挡板作用。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流的水雾并把水雾挤入叶片的根部。如果商业飞机高压转子有两级叶轮，可以使用两个离心压缩机叶轮，也可以共用一个。
4.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，独特的蒸汽循环喷嘴和静叶：水在叶片内的水冷通道(相当于静叶)受高压透平叶片高温加热蒸发膨胀。在蒸气主要通过喷气叶片出气边(trailing edge)喷嘴喷出，增加发动机推力。另一部分水蒸汽从叶片表面发汗蒸发带走热量。这个喷气叶片既是燃气循环的动叶叶片，也是蒸汽循环的静叶喷嘴和发动式动叶片。水冷通道可以设计成流道截面变化的以反映水蒸气膨胀。
5.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，叶片表面有两种类型的孔，一个是为了空气气膜冷却用的，一个是为了水蒸气发散冷却用的。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。这部分水蒸汽从叶片表面蒸发带走热量。
6.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，离心压缩机叶轮的水和空气流量比较关键。水在离心压缩机的作用下和部分冷却空气混合形成气液两相流。气液两相流必须设计成一空气为主流体，液体占一定的体积比(volume faction)。由于水的密度大，在离心力的作用下和空气分层，使得更多的水挤入叶片的水孔是设计要求之一。
7.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，离心压缩机叶轮的水的流量必须满足：水在离心压缩机内保持液体；水叶片中的全部蒸发的蒸发量来确定；水不可以以液体形式从叶片喷出。水流量太大，离心压缩机消耗功率太多，水在喷气叶片来不及蒸发。水流量太小，叶轮温度过高，水在离心泵叶轮就蒸发完了。
8.根据权利要求1所述的一种蒸汽循环辅助的飞机发动机燃气循环系统设计方法，其特征在于，整个蒸汽循环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，离心压缩机的气液两相流流体力学计算CFD。
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，喷射叶片空气动力学反作用力计算。
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