一种提高叶片冷却效率及级间／加力／通道燃烧室燃烧效率的耦合方法技术

一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，所述的叶片为涡轮叶片或加力燃烧室前支板叶片，所述的燃烧室为涡轮级间次燃烧室、加力燃烧室或通道内燃烧室。采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出；或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，将此混合气引入燃烧室并点火进行燃烧。本发明专利技术该方法既能提高叶片的冷却效率，又能提高燃烧室燃烧效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种同时提高叶片冷却效率及级间/加力/通道燃烧室燃烧效率的耦合方法，具体涉及航空发动机或燃气轮机中同时提高叶片冷却效率及级间/加力/通道燃 烧室燃烧效率的耦合方法。
技术介绍
随着现代航空发动机的快速发展，为了追求高推重比和高热效率，现代先进涡轮 的进口温度越来越高。第三代战斗机所用的推重比7-8—级的发动机涡轮进口温度已达 到1600-1700K，而第四代战斗机所用的推重比10 —级的发动机的涡轮进口温度已经达到 1900-2000K。美国的综合高性能涡轮发动机技术计划(Integrated HighPerformance Turbine Engine Technology, IHPTET)和欧洲的先进军用发动机技术计划(Advanced Military Engine Technology, AMET)中，发动机推重比的目标都定位在15-20，届时涡轮进 口温度将会超过2200K。这样的高温已远远超过了许多金属所能承受的温度，使得发动机的 热端部件工作在恶劣的环境中，严重影响其寿命和可靠性，因此就必须考虑热端部件的热 防护问题。 对于航空发动机来说，涡轮是其主要的热端部件之一。如何在提高涡轮进口温度 的同时保证其可靠性和寿命，就目前来讲，最主要的方法是设计合理高效的冷却系统。它可 以降低叶片的温度，使温度分布更合理，从而大大降低叶片的热应力，提高叶片寿命。随着 涡轮前温度的提高，对冷却效率的要求越来越高，冷却系统也越来越复杂。现在的涡轮冷却 技术，通常是内部对流、冲击冷却，外部的气膜冷却或两者的复合冷却，这使得涡轮叶片内 部的冷却通道非常复杂，导致加工难度大，工艺复杂，成品率低。所以如何提高冷却效率并 且不增加涡轮叶片内部冷却通道的复杂程度，对于涡轮叶片而言具有重要的意义。 另一方面，对于现有的涡喷及涡扇发动机的燃烧室来说，提高燃烧效率对于降低 耗油率和污染排放具有重要的意义。提高燃烧效率的主要方法有提高燃油压力、提高燃油 温度、增强燃油雾化程度和增强燃油/空气掺混均匀程度等。加力燃烧室是用来使飞机能 够超音速飞行，然而开通加力燃烧室，发动机不仅耗油率急剧增高，而且由于排气速度增大 以及燃烧效率低导致排气噪音与污染排放很大。能不能找到一种方法降低加力燃烧室所 带来的负面影响或者取代加力燃烧室，一种科学家以及工程师都非常认可的设计方案是去 掉加力燃烧室，取而代之以涡轮级间次燃烧室(Inter-stage Turbine Burner, ITB)，这就 是所谓的ITB发动机。图1给出了双转子ITB发动机理想循环的T-S图，由图可知，在ITB 中，由于燃油在更高的压力下燃烧，因此其热效率比开加力时的热效率要高，介于不开加力 与开加力的热效率之间。所以ITB发动机不仅可以提供飞机超音速飞行所需要的动力，并 且可以减少氮氧化合物的排放量以及降低发动机的排气噪音。对于主燃烧室来说，一种可 能的替代方法就是去掉传统的涡轮前的主燃烧室，直接将主燃烧室置于高压涡轮导叶通道 中，这样以来就可以去掉复杂的主燃烧室，縮短发动机长度，减轻发动机重量。 无论对于通道内主燃烧室、加力燃烧室还是ITB来说，提高燃烧效率是至关重要 的。另一方面，涡轮叶片以及加力燃烧室前支板叶片的冷却问题也是一个需要解决的关键 问题。如果能找到一种既能提高叶片的冷却效率、又能提高燃烧室燃烧效率的设计方法，这 无疑对提高航空发动机/燃气轮机的性能具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术中不足之处，提供一种提高叶 片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，该方法既能提高叶片的冷却效率，又能提高燃 烧室燃烧效率。本专利技术所提供的技术方案为一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特点在于采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出，或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化，油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，将此混合气弓I入燃烧室并点火进行燃烧。实现上述方法的过程如下 (1)首先确定冷却叶片所需的燃油流量； (2)对叶片进行气动设计和造型，满足叶片的气动性能； (3)确定叶片冷却结构和内部的燃油流路结构，满足叶片的冷却效率； (4)对叶片进行冷却和传热特性的试验及叶片强度振动特性的试验； (5)组织燃烧室内的流动和燃烧，即包括选择火焰稳定装置、燃烧室冷却方式，以满足燃烧室的燃烧效率和冷却效果； (6)采用数值模拟或者实验的方法，对上述叶片和燃烧室进行气动、冷却和强度全方面的检验和校核，如果不满足要求，则重复前述步骤(1)_(5)直至满足要求。 所述的叶片为涡轮叶片或支板叶片，所述的燃烧室为涡轮级间次燃烧室、加力燃烧室或通道内燃烧室。 对于高压涡轮叶片和涡轮级间次燃烧室(ITB)的实现过程为用燃油来冷却高压 涡轮叶片，燃油在经过叶片内冷却通道时吸收叶片传导过来的热量，相变为气态即油蒸汽 并从叶片的气膜孔或劈缝等流出，或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝等喷出迅 速雾化；经过高压涡轮的导叶通道和动叶通道与高温燃气掺混后形成混合气，然后在ITB 内进行燃烧。 对于加力燃烧室前的支板叶片和加力燃烧室的实现过程为用燃油来冷却加力燃 烧室前的支板叶片，燃油在经过叶片内冷却通道时吸收叶片传导过来的热量，相变为气态 即油蒸汽并从叶片的气膜孔或劈缝等流出，或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝 等喷出迅速雾化；经过支板通道与高温燃气掺混后形成混合气，然后在加力燃烧室内进行 燃烧。 对于高压涡轮导叶和位于高压涡轮导叶通道内的主燃烧室的实现过程为用燃油 来冷却高压涡轮导叶叶片，燃油在经过叶片内冷却通道时吸收叶片传导过来的热量，相变 为气态即油蒸汽并从叶片表面流出，或者形成超临界燃油并从叶片表面喷出迅速雾化；同时通过对通道内流动的合理组织形成合适的燃烧环境，在通道内进行燃烧。 本专利技术的原理是由于燃油的比热比远大于空气，而且在冷却通道内可能发生相变，这就会吸收大量的热量，其对叶片的冷却效果要好于空气冷却，冷却效率更高。另一方面，燃油由于吸收叶片传导过来的热量而温度升高，会相变成油蒸汽从叶片表面流出，或者形成超临界燃油从叶片表面喷出迅速雾化，再通过叶片通道内高温燃气的加热与掺混，会形成温度较高的均匀混合气，然后进入燃烧室进行燃烧；由于混合气温度高均匀性好，所以燃烧效率要大大提高。 本专利技术与现有技术相比具有明显的优点现有的叶片利用空气进行冷却，在相同的叶片冷却结构下，其冷却效率不如本专利技术中用燃油进行冷却的方法。现有的燃烧室是在燃烧室内进行喷油，燃油雾化成小油滴与空气进行掺混，然后再燃烧，而本专利技术中则是燃油在未进入燃烧室之前预加热，形成温度较高的油蒸汽(或超临界燃油)，或者形成温度较高的均匀混合气，然后再进入燃烧室进行燃烧，其燃烧效率要大大提高。而且在本专利技术中，混合气容易与空气掺混，掺混段较短，所以燃烧室的长度可以縮短，这样以来发动机的重量会减轻且可靠性提高。本专利技术的耦合方法不仅可以提高叶片的冷却效率，同时还可以提高燃烧效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特征在于：采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出；或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气，将此混合气引入燃烧室并点火进行燃烧。

【技术特征摘要】
一种提高叶片冷却效率及燃烧室燃烧效率的耦合方法，其特征在于采用燃油来冷却叶片，即将燃油引入叶片，燃油在流经叶片内冷却通道时，与叶片进行对流换热，燃油吸收叶片传导过来的热量，温度升高并相变为气态即油蒸汽，并从叶片表面的气膜孔或劈缝流出；或者形成超临界燃油并从叶片的气膜孔或劈缝喷出迅速雾化。油蒸汽或者经过雾化的燃油在进入叶片通道后与通道内的高温燃气进行掺混并形成混合气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宇，邹正平，徐力平，刘火星，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]