[发明专利]以氨基甲酸铵热解气为涡轮叶片冷却工质的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种发动机涡轮叶片气膜冷却的方法，更具体地涉及一种以氨基甲酸铵热解气为航空发动机涡轮叶片气膜冷却工质的方法。

本发明还涉及一种用于实现上述方法的装置。

背景技术

航空动力是推动国民经济和国防建设发展的关键科学技术。基于提高发动机性能的迫切需要，涡轮进口温度不断升高，目前已达到2200K左右，远高于材料熔点温度。为了保证涡轮叶片在高温环境下安全可靠运行，必须对其进行有效冷却。

基本冷却技术主要有气膜冷却、冲击冷却、肋片扰流冷却等。自20世纪60年代至今，冷却技术使涡轮叶片冷却温降已从最初的60～100K提升到目前的400～600K。然而，现有以气膜冷却为主的空气冷却技术的提升空间逐渐变小，冷气流量也不可能无限增长，所以涡轮叶片冷却温降很难继续增加。因此研究冷却新概念和新的高效冷却方式，已成为发展高性能航空发动机和燃气轮机的支撑技术之一。

由于冷却方法与冷却设备结构研究基本成熟，研究者把目光转向冷却工质。近年来，国外出现了较多新型冷却介质的研究，主要有以下几种：(1)利用空气与燃料混合冷却研究，由于燃料燃烧后氧化物会堵塞气膜孔，因此实际运用还有困难；(2)空气与氢气混合冷却研究；(3)液态水冷却研究；(4)氢气冷却研究，这是一种很有希望的冷却介质，因为氢气的导热系数很大，目前俄罗斯已有燃用氢气的飞机。

在国内，梁世强等人对NH₃作为冷却工质的含化学热沉气膜冷却方法进行研究。由于NH₃遇热发生分解反应(见式1)，有化学热沉(热汇)存在，根据对流换热的源强化概念：流体对壁面加热时，热源使换热强化，热汇使换热减弱。因而能更有效地阻止燃气向叶片传热。另外，分解造成冷气体积增加30％，气膜增厚，对高温燃气有一定的排斥作用，也有助于隔热。

中国专利申请号200910079776.6中采用碳酸氢铵(NH₄HCO₃)作为冷却工质NH₃的来源。但存在有如下问题：

1)碳酸氢铵(NH₄HCO₃)分解时会产生水蒸气，与氨气混合后对金属材料产生强烈的腐蚀。

2)碳酸氢铵(NH₄HCO₃)气化速度较慢，需至150℃方可全部气化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空发动机涡轮叶片气膜冷却方法，全部或部分取代空气气膜冷却，在无法进一步增加冷却空气量而又必须要达到更高冷却效率时，对叶片等热负荷最高的航空发动机部件进行冷却。

为实现上述目的，本发明提供的以氨基甲酸铵热解气为涡轮叶片冷却工质的方法，以固态工质氨基甲酸铵为冷却工质来源，发动机尾气余热将固态工质氨基甲酸铵加热分解为冷却工质，该冷却工质在压力驱动下通过连通回热腔出口与涡轮叶片冷却空气入口的气体通道进入空气气膜冷却的供气通道，对发动机涡轮叶片进行气膜冷却。

所述的方法，其中，冷却工质为体积比2∶1的NH₃和CO₂混合气。

本发明提供的用于实现上述方法的装置，包括：一耐腐蚀材质的密封腔体置于机舱内，密封腔体上部为添加固态工质的加料口，密封腔体的出口向下倒置，固态工质通过固态物体输送装置进入环形回热腔。

所述的装置，其中，所述环形回热腔是发动机的尾气出口处的空腔，位于发动机外机匣内部。

与传统的空气冷却相比，本发明有如下突出优势：

1)提高冷却效率

首先，气膜冷却是在叶片表面形成保护性边界层，对高温燃气有隔离和稀释的作用，减少燃气对叶片的冲刷和传热。含NH₃混合气气膜由于遇热发生分解反应(见式1)，有化学热沉存在，根据对流换热的源强化概念，“流体对壁面加热时，热源使换热强化，热汇使换热减弱”，因而能更有效地阻止燃气向叶片传热。另外，分解造成冷气体积增加30％，气膜增厚，对高温燃气有一定的排斥作用，也有助于隔热。

ΔH＝+46.2kJ/mol(标态)

式1

与空气相比，NH₃是更为理想的冷却工质，相对较高的比热容和导热系数对于叶片内部对流换热更为有利，能更有效地冷却涡轮叶片。

2)提高热效率

由于冷却效率的提高，允许更高的透平入口燃气温度，自然会有更高的热效率。另外，回热腔“气化”过程中回收利用了系统产生的废热，减少了能量损失，对提高热效率也有较大贡献。