航空涡扇发动机的冷却关键技术.docx

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1、航空涡扇发动机的冷却关键技术目录1.概述12 .涡轮叶片冷却技术的基本原理23 .国外研究现状44 .发展趋势54. 1.概述64. 2. 层板冷去|3技术64 . 3.复合冷却技术75 . 4.冷却叶片设计优化86 .关键技术87 .结束语91 .概述对于涡扇发动机而言，提高涡轮进口燃气温度对于改善发动机性能，如增 大发动机推力，提高发动机的效率和发动机的推重比都具有极其重要的意义。然而，涡轮进口燃气温度却受涡轮材料的耐热能力所限制。目前，先进航空涡扇发动机的涡轮进口燃气温度已经达到1800K2050K, 超出了耐高温叶片材料可承受的极限温度，所以必须采用有效的冷却方式来降 低涡轮叶片的壁面

2、温度。图1给出了涡轮进口燃气温度的逐年变化趋势。2000涡轮进口燃气温800 111119501960197019801990年代图1涡轮进口燃气温度的逐年变化石蒙动机核后图1涡轮进口燃气温度的逐年变化趋势目前，涡轮叶片冷却技术普遍应用于大型航空涡扇发动机，而在弹用涡扇 发动机上的应用相对较少。但随着国内外导弹的不断发展进步，要求导弹飞的更高、更快、更远，同 时又不能过多增加发动机的尺寸和重量，这就对弹用发动机的性能提出了更高 的要求，为了满足导弹这种研制模式的需求，弹用涡扇发动机采用涡轮叶片冷 却技术已成为一种必然的发展趋势。2 .涡轮叶片冷却技术的基本原理能在高温、高速、高压（简称“三高”

3、条件下稳定工作是现代涡扇发动机对 涡轮性能提出的最基本要求。对于气流而言，温度、速度和压力是密切相关的三个参量，于是“三高” 要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口燃气温度上面，而涡轮进口燃气温度也 就成了衡量发动机性能好坏的一个关键性指标。根据计算，涡轮进口燃气温度每提高55。C,在发动机尺寸不变的条件下, 发动机推力约可提高10%。可见，提高涡轮进口燃气温度有很高的实用价值， 但由于涡轮叶片材料可承受的温度有限，这就需要对涡轮叶片采用冷却技术来 提高这一指标。航空发动机冷却技术很复杂，并且各个发动机制造厂采用的技术各不相同, 甚至相同的发动机制造厂为各种不同型号的发动机使用了不同的冷却系统。发

4、动机冷却系统的设计要保证系统在运行时，叶片表面最高温度和温度梯 度与设计寿命规定的最大叶片热应力相适应。冷却工质太少会导致叶片温度较高，从而降低热部件工作可靠性，缩短热 部件寿命，但冷却工质太多又会降低发动机性能。因而必须合理设计发动机冷却系统，以使冷却用的压气机抽气量最小，同 时能提高涡轮进口燃气温度，达到最大效益。空气出口低压空气 高压中间空气 高压空气七发动机技才图2典型发动机的冷却供气系统图2典型的发动机冷却供气系统目前，国内外广泛采用的是开式冷却方法，即冷却空气从压气机引出，冷 却涡轮后排入涡轮通道与燃气混合。图2为典型的发动机冷却供气系统。该方案比较简单，结构上容易实现，而且不用额

5、外负载大量的冷却气；缺 点是引走了部分经过压气机压缩的空气，消耗能量，而且随着增压比和飞行速 度的增加，冷却空气本身温度增高，冷却效果变差。对于不同的冷却方式，其基本的冷却原理是冷气从叶片下部进入叶片内部, 通过冷却通道对叶片的内表面进行有效的冷却，然后由叶片上的小孔流出对叶 片外表面进行冷却保护。3 .国外研究现状由于涡轮进口燃气温度的重要性，这一指标总是作为发动机发展的一个重 要标志。20世纪70年代，涡轮进口燃气的温度为1600K1700K; 90年代末已达 2112K；而本世纪初将要达至U 2300K2400K;平均每年以15K20K的速度递 增。然而，高温合金耐温程度的发展速度却远远

6、滞后于这一水平，而且据估计, 高温合金的允许工作温度不会超过1500Ko这样，除了发展新材料和新结构之外，在不改变目前可用金属材料的情况 下，要保证燃烧室和燃气涡轮这两个主要的热端部件可靠地工作并达到要求的 使用寿命，唯一可行的便是采取冷却和热防护措施。事实证明，冷却技术的效果极为显著，20世纪60年代，采用冷却技术而 带来的冷却温降为60K100K, 70年代中期冷却温降为300K,目前冷却温降 已达400K600K;而且随着冷却方法的不断改进，冷却温降还有可能达到一个 新的水平。目前，先进发动机的涡轮进口燃气温度已达到了 2000K左右，比高压涡轮 叶片金属材料的熔点高400K,可见冷却设

7、计的重要性和迫切性。因此，国外很多航空航天先进国家都在大力研究发展冷却技术，而且先进 的冷却设计能够带来巨大的经济和使用效益，主要体现在以下5个方面：因提高涡轮进口燃气温度而提高了发动机性能；因允许使用更简单的材料而降低了成本；因减少金属壁厚度而减轻了重量；因减小了冷气消耗量而提高了效率；因延长部件寿命进而延长了发动机的使用期限。内部冷却通道气膜 冷却冲击冷却扰流肋扰流柱图3典型涡轮叶片冷却结闷勿泌加图3常用典型涡轮叶片冷却结构目前，国外广泛用于航空发动机涡轮叶片冷却的基本冷却技术主要有气膜 冷却、冲击冷却、发散冷却、肋壁强化换热、绕流柱强化换热等。图3为常用 典型涡轮叶片冷却结构。4 .发展

8、趋势4.1. 概述美国国防部开展的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划制定了详细明 确的部件级目标。对于涡轮部件，其研究目标是涡轮进口燃气温度提高500K, 冷却空气减少60%,质量减少50%,单级载荷增加50%,生产成本和维修成本 降低10%o为实现这些目标，必须面临一系列技术挑战。该计划提及的三大技术难题 是：在不增加损失和极限载荷的情况下提高级载荷；在不增加转子质量的情况 下为提高转子的转速而设计涡轮盘和叶片附件；在减少冷气流量的情况下提高 燃气进口温度的困难。英国也相应开展了 “先进核心军用发动机(AaME)的研究，计划把推重比 为20定为2020年的目标，到那时发动机的涡轮进

9、口燃气温度将达到2400Ko为了解决更高温度带来的一系列问题，在提高材料的耐热性，发展高性能 耐热合金，并制造单晶叶片的同时，就要发展采用更先进的冷却技术，以少量 的冷却空气获得更高的降温效果。目前国外冷却技术的发展方向是挖掘现有冷却方式的潜力，精细组织冷却 气流提高冷却效果；发展新的冷却结构和冷却方式。新型冷却技术有层板冷却 和复合冷却技术。4. 2.层板冷却技术层板冷却技术始于Colladay提出的一个理论：在燃气轮机高温部件的冷却 中，为了有效利用冷气，在形成气膜之前一定要增强内部对流换热，即可以通 过内部对流冷却、冲击冷却、扰流柱、肋壁等强化换热方式对叶片进行冷却。基于这种理论及全气膜

10、冷却形成了多层壁气膜冷却结构。其基本原理类似 于多孔发散冷却。冷气在层板内部许多细小的通道内流过并吸收热量，然后从 气膜孔流出。图4给出了层板冷却的结构示意图。图4层板结构示意图一加宓匚图4层板冷却的结构ZF意图4. 3.复合冷却技术复合冷却技术（见图5）就是在涡轮叶片上同时使用多种冷却技术,但并不是 简单的组合，因为不同冷却方式之间会产生相互的影响，比如冷却气流经过肋 的扰动形成的二次流会对气膜孔的出流产生一定的影响。因此，复合冷却的研究相对比较复杂，目前国内外在这方面的研究还不是 很多。冲击冷却肋壁强化换热冷却扰流柱强化图5 复合冷却叶片简图 T必加儿”匚图5复合冷却技术4. 4.冷却叶片

11、设计优化在发展冷却技术的同时，涡轮冷却叶片的设计优化也非常重要。目前，美 国等西方发达国家正在努力发展航空发动机及涡轮冷却叶片的多学科优化技术 (MDO),包括优化理论与算法、计算流体力学方法、多学科耦合分析等，取得 了很大的进步，出现了多种MDo软件。5 .关键技术涡轮冷却技术的研究在国外已经有60多年的发展历史，到现在已经取得了 显著的成果，总结出了一些涡轮冷却设计方面的经验和方法。但是由于涡轮冷却技术具有多学科的复杂性，至今并不算十分完善，还有 许多关键技术需要解决，以进一步提高涡轮冷却的效率。在后续涡轮冷却技术的研究中如下关键技术和研究方向有待关注：研究合理的涡轮冷却叶片结构设计方法。

12、选择合理的冷却结构，降低冷却 结构对叶片强度、气流流动的影响；设计有效的涡轮叶片冷却系统，必须充分了解涡轮内部详细的燃气流动特性，准确预测叶片的冷却效果和热分布，防止出现局部热斑；完善冷却系统和向流通通道放气的方法。目的是减小所需的冷却空气流量 和所用的能量，以及附加损失；减少冷却系统的空气泄流（采用的方法有密封冷却系统，应用涡轮导向器装 置等），以及发动机工作在低负荷时，关闭冷却系统；研究冷却结构和工艺方法，以提高涡轮冷却效率。如在叶片上涂隔热涂层、 冷却气路设计等。6 .结束语本文通过对国外的涡轮叶片冷却技术发展及相关关键技术的研究，认为采 用涡轮叶片冷却技术能够大幅度提高涡扇发动机的性能，并且具有广泛的应用 前景。目前，国外先进的航空发动机基本均已采用此项技术。对于弹用涡扇发动 机而言，随着导弹的不断发展，对发动机的要求越来越高，采用涡轮叶片冷却 技术将是一个必然的发展趋势。图6涡轮叶片的发展历程因此，加大研究力度，注重吸取国外的先进技术和经验，强调理论研究和 试验相结合。相信涡轮叶片冷却技术的发展必将把弹用涡扇发动机推向一个新 的高度。