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航空发动机燃烧室先进冷却方式研究鞋扣

文章来源:胜祥机械网  |  2022-07-14

航空发动机燃烧室先进冷却方式研究

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【1]。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“19”代表的是中国首型大型客机最大载客量为190座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但其化学工程人员为项目团队指导了正确的努力方向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多斜孑L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)。这种冷却方式主要特征是:

尺寸偏差和外观应符合表1的规定在火焰筒壁上运用激光钻山大量密集、离散的小孔。

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d,TL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,如图2所示。

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、进出气孔的直径、层板的厚度、层板数目以及内部通道而积大小等,来优化其政策的支持是再生塑料造粒机发展的有益保障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,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,多斜孔内的换热情况产生变化,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。这3种冷却室壁比较见表1。

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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