[發明專利]一種航空發動機渦輪葉片氣膜冷卻方法

有效

• 申請號: 200910079776.6
• 申請日: 2009-03-11
• 公開（公告）號: CN101832154A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 梁世強;雷兢;淮秀蘭
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18;F02C7/16
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術領域

本發明涉及一種適用于大推力高性能航空發動機動力渦輪葉片的氣膜冷卻方法。

背景技術

航空動力是推動國民經濟和國防建設發展的關鍵科學技術。發動機被稱為飛機的“心臟”，航空發動機是航空工業的核心技術，也是衡量一個國家軍事裝備水平、科技工業實力和綜合國力的重要標志。據日本業界的一項分析，在單位重量創造的價值比這一數值上，船舶為1，轎車為9，計算機為300，支線飛機是800，而航空發動機則高達1400，被譽為“工業之花”、“皇冠上的珠寶”。

現代最為廣泛應用的航空發動機是航空燃氣渦輪發動機，燃氣輪機技術進展的重要標志是透平入口溫度(TIT)的提高和壓氣機壓比的增加。燃氣輪機的熱效率和比功均隨著TIT增高而增加，據文獻報道，TIT在1073～1273K范圍內每提高100K，燃氣輪機的輸出功率將增加20％～25％，節省燃料6％～7％；TIT每提高55K，在尺寸不變的條件下，航空發動機的推重比可提高10％左右。碳氫燃料的燃燒溫度可以達到2500K，這說明渦輪前溫度還有很大的提升空間。然而，進一步提高TIT主要受制于透平葉片合金材料耐受高溫的程度。例如，定向凝固和單晶鎳基合金材料透平葉片的最高允許工作溫度只有1370K，而目前在役或在研的航空發動機，其TIT已高達1900～2100K。設想之中的第四代軍用渦扇發動機要比當前各國列裝的第三代發動機推重比提高兩個檔次，達到10以上，相應地需要大幅度地提高渦輪前溫度，達到1750～1850℃之間，遠遠高于合金材料所能承受的溫度極限。

航空發動機透平前溫之所以能夠不斷提升，主要得益于熱障涂層(主要是利用陶瓷的隔熱和抗腐蝕的特點來保護金屬材料，提高油料的燃燒效率，并可以極大地延長發動機的壽命)、耐高溫合金(比如：鈮鈦鋁合金、鐵鎳合金等)和空氣冷卻等核心技術的進展。

歷史證明，采用冷卻技術來提高燃氣初溫比通過新材料的開發研究提高初溫的速度要快得多。從70年代起，透平入口燃氣溫度以年均20K的速度增長，而結構材料的耐溫程度僅有8K的年增長率。從20世紀60年代起，渦輪葉片冷卻溫降已從最初的60～100K提升到目前的400～600K，現役最先進的航空發動機中基本上都是采用內流冷卻和氣膜冷卻相結合的冷卻方案。然而，空氣冷卻是一把雙刃劍，冷卻效率絕不可能在不增加冷氣流量的條件下無限增長。隨著透平進口溫度的提高，需要從壓氣機抽取更多的高壓空氣，而這些空氣原本是用來參與燃燒并做功的，這對燃氣輪機比功和循環效率帶來不利影響，部分抵消了提高透平前燃氣溫度所帶來的在效率方面的收益，甚至發展到無法接受的程度，使得現有以氣膜冷卻為主，包括射流沖擊冷卻、肋片擾流冷卻和柱肋冷卻等在內的空氣冷卻技術的提升空間越來越小，很難取得階躍式的進展。

在燃氣輪機發展初期，人們就設想了很多種冷卻工質和冷卻方式，包括空氣、水、蒸汽甚至液態金屬等等，在當時的歷史條件下，空氣冷卻是即容易實現也比較高效的冷卻方式，因而優先得到了發展和應用。近年來，國外出現了新型冷卻介質的研究，主要有以下幾種：(1)利用空氣與燃料混合冷卻研究，由于燃料燃燒后氧化物會堵塞氣膜孔，因此實際運用還有困難；(2)空氣與氫氣混合冷卻研究；(3)液態水冷卻研究；(4)氫氣冷卻研究，這是一種很有希望的冷卻介質，因為氫氣的導熱系數很大，目前俄羅斯已有燃用氫氣的飛機。

發明內容

本發明提的目的在于提供一種航空發動機渦輪葉片氣膜冷卻方法，全部或部分取代空氣氣膜冷卻，應用于大推力高參數航空渦輪發動機，在無法進一步增加冷卻空氣量而又必須要達到更高冷卻效率時，對一級導向葉片和一級轉子葉片等熱負荷最高的航空發動機部件進行冷卻。

為實現上述目的，本發明提供的航空發動機渦輪葉片氣膜冷卻方法，是以固態工質為冷卻工質來源的，該固態工質為NH₄HCO₃，冷卻工質為其熱解產物，即體積比1∶1∶1的NH₃、H₂O和CO₂混合氣，以發動機外機匣內部、位于發動機的尾氣出口處的空腔作為回熱腔，將固態工質輸送到與外機匣為一體鑄造的回熱腔。在該回熱腔內，利用發動機尾氣余熱將冷卻工質加熱分解為冷卻工質，該冷卻工質在壓力驅動下通過連通回熱腔出口與渦輪葉片冷卻空氣入口的氣體通道進入原有空氣氣膜冷卻的供氣通道，對發動機渦輪葉片進行氣膜冷卻。

固態工質置于一橡膠、塑料或者皮革材質的密封袋中，該密封袋置于機艙之內，袋口向下倒置并通過通用的固態流體輸送機械連接到環形回熱腔的進料口。