渦輪葉片冷卻技術(shù)課件

趙利鋒13721378渦輪葉片冷卻技術(shù)趙利鋒渦輪葉片冷卻技術(shù)1目錄概述典型葉片冷卻技術(shù)氣膜冷卻與內(nèi)流冷卻的相互影響總結(jié)參考文獻(xiàn)目錄概述典型葉片冷卻技術(shù)氣膜冷卻與內(nèi)流冷卻的相互影響總結(jié)參考21.概述為什么需要冷卻？對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟饶軌蚋纳瓢l(fā)動(dòng)機(jī)性能，如增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。根據(jù)計(jì)算，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟让刻岣?5℃，在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力約可提高10%。可見(jiàn)，提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟扔泻芨叩膶?shí)用價(jià)值。然而，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葏s受渦輪材料的耐熱能力所限制。目前，先進(jìn)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到1800K～2050K，超出了耐高溫葉片材料可承受的極限溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來(lái)降低渦輪葉片的壁面溫度。1.概述為什么需要冷卻？3提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟却胧┯蓤D知，欲提高進(jìn)口燃?xì)鉁囟?，可以：提高材料的耐熱性，發(fā)展高性能耐熱合金，制造單晶葉片。采用更先進(jìn)的冷卻技術(shù)，以少量的冷卻空氣獲得更高的降溫效果。渦輪材料近期的發(fā)展方向是定向共晶合金、超單晶合金以及機(jī)械合金化高溫合金。遠(yuǎn)期發(fā)展方向是人工纖維增強(qiáng)高溫合金、定向再結(jié)晶氧化物彌散強(qiáng)化合金以及新的能承受高溫的材料。未來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)將大量采用非金屬材料，以Si3N4為代表的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷是最有前途的材料之一。提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟却胧┯蓤D知，欲提高進(jìn)口燃?xì)鉁囟?，可以：渦4雖然金屬材料不斷發(fā)展，但金屬極限溫度僅以每年約8℃的速度增加，而渦輪前進(jìn)口溫度平均以每年20℃的速度提高，因此，人們需要發(fā)展更為先進(jìn)的冷卻技術(shù)。在渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，從20世紀(jì)50年代以來(lái)，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)大都采用氣冷葉片。20世紀(jì)60年代，采用簡(jiǎn)單的單通道內(nèi)部對(duì)流冷卻，冷卻溫降為60~100K；70年代中期，隨著氣膜冷卻和射流沖擊冷卻的引入，對(duì)流+沖擊+氣膜構(gòu)成的較為完善的復(fù)合冷卻技術(shù)逐漸進(jìn)入工程應(yīng)用，冷卻溫降大幅度提高；雖然金屬材料不斷發(fā)展，但金屬極限溫度僅以每年約8℃的速度增加5渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)從渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)分析可知，其共同特點(diǎn)是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪氣冷葉片普遍為復(fù)合傾斜葉片，基本上已形成了由內(nèi)部冷卻和外部冷卻以及熱障涂層防護(hù)組成的葉片冷卻方案。渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)從渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)分析可知，其共同6典型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻供氣系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，葉片表面最高溫度和溫度梯度與設(shè)計(jì)壽命規(guī)定的最大葉片熱應(yīng)力相適應(yīng)。冷卻工質(zhì)太少會(huì)導(dǎo)致葉片溫度較高，從而降低熱部件工作可靠性，縮短熱部件壽命，但冷卻工質(zhì)太多又會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能。因而，必須合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，以使冷卻用的壓氣機(jī)抽氣量最小，同時(shí)能提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟?，達(dá)到最大效益。典型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻供氣系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證系統(tǒng)在運(yùn)7渦輪葉片冷卻技術(shù)的基本原理目前，國(guó)外廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻的基本冷卻技術(shù)主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻、肋壁強(qiáng)化換熱、繞流柱強(qiáng)化換熱等。基本的冷卻原理：冷氣從葉片下部進(jìn)入葉片內(nèi)部，通過(guò)帶肋壁的內(nèi)流冷卻通道,對(duì)葉片的內(nèi)表面實(shí)施有效的冷卻,一部分冷氣通過(guò)沖擊孔,以沖擊冷卻的形式對(duì)葉片前緣內(nèi)表面進(jìn)行冷卻,一部分通過(guò)氣膜孔流出,在渦輪葉片表面形成一層冷氣薄層,對(duì)葉片外表面進(jìn)行有效的保護(hù),剩下的一部分氣體經(jīng)過(guò)葉片尾部的擾流柱,被擾動(dòng)強(qiáng)化換熱以后從尾緣排出。渦輪葉片冷卻技術(shù)的基本原理目前，國(guó)外廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉8冷卻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)一般來(lái)說(shuō),冷卻技術(shù)帶來(lái)的利益主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面:①因提高渦輪進(jìn)口溫度而提高了推重比；②因允許使用更簡(jiǎn)單的材料而降低了成本；③因減少金屬壁厚度而減輕了重量；④因減小了冷氣消耗量而提高了效率；⑤因延長(zhǎng)部件壽命而延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用期限。冷卻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)一般來(lái)說(shuō),冷卻技術(shù)帶來(lái)的利益主要體現(xiàn)在以下9先進(jìn)冷卻技術(shù)的發(fā)展方向(1)挖掘現(xiàn)有冷卻方式的潛力,精細(xì)組織冷卻氣流,提高冷卻效果。基本冷卻方式:氣膜冷卻、沖擊冷卻、肋壁強(qiáng)化換熱、擾流柱強(qiáng)化換熱。(2)發(fā)展新的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻方式:發(fā)散冷卻,層板冷卻。層板冷卻可以大幅度提高燃?xì)鉁囟?200K)或降低冷卻空氣的消耗量(30～40%)。層板冷卻的原理：冷氣在層板內(nèi)部許多細(xì)小的通道(0.3～0.4mm)內(nèi)流過(guò)并吸收熱量,然后從氣膜孔流出。層板內(nèi)部有很大的換熱面積，細(xì)小通道內(nèi)有很高的換熱系數(shù)。先進(jìn)冷卻技術(shù)的發(fā)展方向(1)挖掘現(xiàn)有冷卻方式的潛力,精細(xì)10復(fù)合冷卻技術(shù)復(fù)合冷卻技術(shù)就是在渦輪葉片上同時(shí)使用多種冷卻技術(shù)，但并不是簡(jiǎn)單的組合。因?yàn)椴煌鋮s方式之間會(huì)產(chǎn)生相互的影響，比如冷卻氣流經(jīng)過(guò)肋的擾動(dòng)形成的二次流會(huì)對(duì)氣膜孔的出流產(chǎn)生一定的影響。因此，復(fù)合冷卻的研究相對(duì)比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究還不是很多。復(fù)合冷卻技術(shù)112.典型葉片冷卻技術(shù)基本原理:在壁面附近沿一定方向向主流噴入冷氣,這股冷氣在主流的壓力和摩擦力作用下向下游彎曲,粘附在壁面附近,形成溫度較低的冷氣膜,將壁面同高溫燃?xì)飧綦x,并帶走部分高溫燃?xì)饣蛎髁粱鹧鎸?duì)壁面的輻射熱量,從而對(duì)壁面起到良好的保護(hù)作用。氣膜冷卻2.典型葉片冷卻技術(shù)基本原理:在壁面附近沿一定方向向主流噴12氣膜冷卻的核心問(wèn)題在于降低冷氣出流向主流的穿透率，避免主流繞過(guò)冷氣直接接觸壁面造成局部高溫以及增強(qiáng)氣膜出流向下游的延伸能力，增強(qiáng)冷卻效果等。通常影響氣膜冷卻效果的因素有:(1)氣膜孔的幾何參數(shù),如氣膜孔的噴射角度、孔徑的大小、孔長(zhǎng)徑比、孔間距、孔排數(shù)以及孔出口的形狀；下圖是具有出口擴(kuò)展型面的氣膜孔結(jié)構(gòu)氣膜冷卻的影響因素氣膜冷卻的核心問(wèn)題在于降低冷氣出流向主流的穿透率，避免主流繞13冷氣通道在出口附近橫截面面積的增大，導(dǎo)致了氣膜出流平均速度的下降和擴(kuò)散能力的增強(qiáng)，降低了氣膜向主流的穿透率，同時(shí)擴(kuò)展型面結(jié)構(gòu)均不同程度地抑制了反向渦對(duì)的產(chǎn)生，降低了漩渦的強(qiáng)度，提高了射流的附壁性，增強(qiáng)了壁面的冷卻效果；但是單純的擴(kuò)張形孔并沒(méi)有將冷氣利用充分，而且會(huì)帶來(lái)較大的氣動(dòng)損失。收斂縫形氣膜孔，可以較好地解決這一問(wèn)題，同時(shí)獲得更高的冷卻效率。冷氣通道在出口附近橫截面面積的增大，導(dǎo)致了氣膜出流平均速度的14孔長(zhǎng)的影響：研究發(fā)現(xiàn)隨著孔長(zhǎng)的增大,孔出口速度變的均勻,冷卻效率上升,而孔長(zhǎng)較短時(shí),孔出口的速度分布明顯受入口射流分布的影響,很不均勻,導(dǎo)致冷卻效率較低。(2)孔的氣動(dòng)參數(shù),如主流速度、吹風(fēng)比、冷氣流與主流的動(dòng)量比、主流湍流度、氣膜孔前邊界層發(fā)展情況、壓力梯度等。吹風(fēng)比為0～2,發(fā)現(xiàn)在距孔比較近的地方冷卻效率隨著吹風(fēng)比的增大而增大,達(dá)到一個(gè)峰值后就很快隨吹風(fēng)比的增大而減小。在相同的吹風(fēng)比下,高密度比的冷氣比低密度比的冷氣更容易貼在葉片表面。(3)葉片的幾何參數(shù),包括葉片前緣形狀、流向表面曲率、冷卻工質(zhì)輸送通道幾何結(jié)構(gòu)和表面粗糙度等。孔長(zhǎng)的影響：研究發(fā)現(xiàn)隨著孔長(zhǎng)的增大,孔出口速度變的均勻,15熱障涂層技術(shù)基本設(shè)計(jì)思想：利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和絕熱等性能使其以涂層形式和基體復(fù)合，以提高結(jié)構(gòu)件抵抗高溫腐蝕的能力。右圖是敷設(shè)熱障涂層的葉片橫截面結(jié)構(gòu)示意圖NASA的實(shí)驗(yàn)表明，0.4mm陶瓷熱障涂層可使葉片基體的溫度降低100~300℃，發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件幾乎都采用這一技術(shù)；Boyle對(duì)熱障涂層應(yīng)用在渦輪葉片上所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明在該文的研究條件下，應(yīng)用熱障涂層可以減少冷卻氣流的用量，且每減少5%~10%的冷卻氣流可以降低25%NOX的產(chǎn)生；熱障涂層技術(shù)基本設(shè)計(jì)思想：利用陶瓷材料優(yōu)越的耐高溫、耐腐蝕、16熱障涂層優(yōu)勢(shì)將熱障涂層噴涂在渦輪葉片表面可收到顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益：(1)可有效提高航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能；(2)提高部件表面的耐蝕性，將燃?xì)饬髋c葉片基體隔開(kāi)，避免燃?xì)饬鲗?duì)部件基體的侵蝕；(3)降低葉片溫度，延長(zhǎng)葉片的使用壽命，提高葉片的可靠性；(4)減少冷卻空氣流量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率；(5)簡(jiǎn)化冷卻通道設(shè)計(jì)，降低渦輪葉片加工工藝難度，減少制造成本。熱障涂層優(yōu)勢(shì)將熱障涂層噴涂在渦輪葉片表面可收到顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)17渦輪葉片內(nèi)流冷卻方式目前使用較多的內(nèi)部冷卻方法主要有：射流沖擊冷卻、擾流柱強(qiáng)化換熱技術(shù)、肋壁強(qiáng)化換熱技術(shù)和多程彎折通道。射流沖擊冷卻在所有的強(qiáng)化換熱技術(shù)中,沖擊冷卻是最能有效加強(qiáng)局部換熱系數(shù)的冷卻方法?；驹恚豪錃馔ㄟ^(guò)細(xì)小的沖擊孔,以很高的速度沖擊到葉片內(nèi)壁面,對(duì)內(nèi)壁面進(jìn)行有效的冷卻,一部分通過(guò)氣膜孔排出葉片,另一部分通過(guò)內(nèi)流通道,最后從葉片尾緣排出。渦輪葉片內(nèi)流冷卻方式目前使用較多的內(nèi)部冷卻方法主要有：射流沖18導(dǎo)流葉片開(kāi)有小孔和縫隙，對(duì)準(zhǔn)葉片內(nèi)表面特別需要冷卻的部位，加強(qiáng)冷卻效果冷卻空氣從圓管兩端進(jìn)入，由圓管前緣小孔排出，冷卻葉片前緣。但是沖擊孔在葉片內(nèi)部的布置減弱了葉片的強(qiáng)度,所以沖擊冷卻一般用在葉片熱負(fù)荷比較大的地方,比如葉片前緣。導(dǎo)流葉片開(kāi)有小孔和縫隙，對(duì)準(zhǔn)葉片內(nèi)表面特別需要冷卻的部位，加19單股射流沖擊流動(dòng)結(jié)構(gòu)概括地說(shuō)，射流流場(chǎng)可以分為三部分，即自由射流區(qū)、駐點(diǎn)流區(qū)（滯止區(qū)）和壁面射流區(qū)。射流離開(kāi)噴嘴后，與外部流體進(jìn)行質(zhì)量和動(dòng)量交換，結(jié)果使得射流寬度不斷增加，速度分布剖面也逐漸發(fā)展為鐘形。研究發(fā)現(xiàn)沖擊冷卻能帶來(lái)局部的高換熱系數(shù)，并且其冷卻效果受到?jīng)_擊孔幾何參數(shù)的影響?？偟膩?lái)說(shuō),駐點(diǎn)處的換熱系數(shù)都比離駐點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方要高。單股射流沖擊流動(dòng)結(jié)構(gòu)概括地說(shuō)，射流流場(chǎng)可以分為三部分，即自由20擾流柱強(qiáng)化換熱技術(shù)擾流柱冷卻技術(shù)，主要通過(guò)加強(qiáng)冷氣的擾動(dòng)，達(dá)到增強(qiáng)端壁表面換熱的效果。擾流柱結(jié)構(gòu)通常用在渦輪葉片的尾緣冷卻中。影響擾流柱換熱的因素主要包括：擾流柱陣列結(jié)構(gòu)（叉排和順排）、擾流柱長(zhǎng)徑比、幾何排布參數(shù)、擾流柱位置、擾流柱形狀等，如圖。研究表明長(zhǎng)擾流柱（H/d=4）比短擾流柱（H/d=1/2和2）可以傳遞更多的熱量。當(dāng)Re<1500，圓形擾流柱的換熱能力強(qiáng)于方形的換熱能力；當(dāng)Re大于1500時(shí)，相反。擾流柱強(qiáng)化換熱技術(shù)擾流柱冷卻技術(shù)，主要通過(guò)加強(qiáng)冷氣的擾動(dòng)，達(dá)21肋壁強(qiáng)化換熱技術(shù)先進(jìn)渦輪葉片內(nèi)部通道兩側(cè)均布有肋片，一方面增強(qiáng)擾動(dòng)，另一方面增大換熱面積以強(qiáng)化換熱，有效地降低了葉片內(nèi)壁面溫度。內(nèi)部通道中高性能的肋片結(jié)構(gòu)肋壁強(qiáng)化換熱技術(shù)先進(jìn)渦輪葉片內(nèi)部通道兩側(cè)均布有肋片，一方面增22其他冷卻方式對(duì)流冷卻冷卻空氣從葉片內(nèi)若干專(zhuān)門(mén)的通道流過(guò)，與壁面產(chǎn)生熱交換，將熱量帶走。葉身精鑄處9個(gè)徑向小圓孔冷卻空氣由中間葉跟兩側(cè)小孔流入葉身其他冷卻方式對(duì)流冷卻葉身精鑄處9個(gè)徑向小圓孔冷卻空氣由中間葉23發(fā)散冷卻冷卻空氣從葉片內(nèi)腔通過(guò)葉片壁面上無(wú)數(shù)微孔滲出，像出汗一樣，在葉片表面形成氣膜。發(fā)散冷卻243.氣膜冷卻與內(nèi)流冷卻的相互影響流量系數(shù)流量系數(shù)是在給定的壓差條件下,實(shí)際流過(guò)孔的流量與理論上流體作絕熱膨脹可以流過(guò)的流量的比值。因此流量系數(shù)反映了流體流過(guò)孔時(shí)的損失大小。由于冷氣的使用可以降低渦輪葉片的熱負(fù)荷，但也會(huì)增加氣動(dòng)損失，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能。為此,需要解決兩個(gè)問(wèn)題:①準(zhǔn)確的掌握氣膜孔的流量系數(shù),設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)睦錃饬髁?。如果流量系?shù)估計(jì)過(guò)大,會(huì)造成冷氣量供氣不足,達(dá)不到對(duì)高溫部件的隔熱保護(hù)作用；反之則會(huì)造成冷氣量過(guò)剩,既增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗,又增加了內(nèi)部的流動(dòng)損失。②在工程應(yīng)用條件許可的范圍內(nèi),使用流量系數(shù)較大的氣膜孔,在提供相同冷氣量的條件下,所需要的壓差就可減少,降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗。3.氣膜冷卻與內(nèi)流冷卻的相互影響流量系數(shù)25內(nèi)流冷卻和氣膜冷卻的相互影響大多研究者都是對(duì)單個(gè)孔的流量系數(shù)進(jìn)行的研究。實(shí)際上,在內(nèi)流冷卻通道里,帶有氣膜孔的壁面往往是帶肋的,以增大對(duì)流換熱。而帶肋后由于肋的擾動(dòng)和形成的二次流會(huì)對(duì)氣膜孔的出流產(chǎn)生一定的影響,并且在實(shí)際的內(nèi)流冷卻通道里,氣膜孔的布置不是單一的。因此應(yīng)該考慮有肋和氣膜孔出流同時(shí)存在的情況。如圖：內(nèi)流冷卻和氣膜冷卻的相互影響大多研究者都是對(duì)單個(gè)孔的流量系26氣膜孔出流的影響氣膜孔的出流在很大程度上影響了內(nèi)流冷卻通道的流場(chǎng)特性，從而影響了帶肋壁面的換熱系數(shù),在氣膜孔入口的下游,壁面換熱系數(shù)值升高。由于出流,在有氣膜孔的一側(cè),由肋所導(dǎo)致的二次流和渦旋受出流影響而變得不對(duì)稱(chēng),具有強(qiáng)烈的三維特性。肋的影響西北工業(yè)大學(xué)傳熱實(shí)驗(yàn)室對(duì)同時(shí)帶肋和氣膜孔出流的內(nèi)流通道進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)肋對(duì)氣膜孔流量系數(shù)有著較大的影響,主要是由于肋的存在,在內(nèi)流通道產(chǎn)生的二次流明顯影響了氣流進(jìn)入氣膜孔時(shí)的流動(dòng)方向,改變了入口損失。氣膜孔出流的影響肋的影響274.總結(jié)本文重點(diǎn)講述了渦輪葉片的幾種冷卻技術(shù)，總的來(lái)說(shuō)渦輪葉片的冷卻主要是通過(guò)內(nèi)流冷卻和外部的氣膜冷卻的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。氣膜冷卻可以有效降低葉片的外表溫度,對(duì)葉片進(jìn)行有效的保護(hù)。今后的研究重點(diǎn)是研究新的孔形結(jié)構(gòu),掌握各幾何、工作參數(shù)對(duì)氣膜冷卻的影響,優(yōu)化氣膜冷卻。內(nèi)流冷卻可以從葉片內(nèi)部有效降低葉片溫度,與氣膜冷卻相結(jié)合,對(duì)葉片進(jìn)行有效的保護(hù)。今后的另一研究重點(diǎn)是新的冷卻結(jié)構(gòu),比如肋的結(jié)構(gòu)、肋的布置、以及在旋轉(zhuǎn)情況下,優(yōu)化內(nèi)流通道結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)流流動(dòng)與外部氣膜冷卻相互影響,這二者之間的關(guān)系目前研究還較少。兩者之間的影響情況、影響程度都需要進(jìn)一步研究。4.總結(jié)本文重點(diǎn)講述了渦輪葉片的幾種冷卻技術(shù)，總的來(lái)說(shuō)渦輪葉28參考文獻(xiàn)[1]倪萌,朱惠人,裘云,許都純,劉松齡.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻技術(shù)綜述.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù).2005年12月第18卷第4期.[2]戴萍,林楓.燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻