[发明专利]一种航空发动机主流气体换热方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空发动机主流气体换热方法，主要用于对流过压气机的主流空气进行冷却，从而降低流过压气机叶片的空气的温度，提高航空发动机的工作性能。 

背景技术

进一步提高航空发动机性能，降低耗油率对于航空发动机的经济性和环保性等具有重要意义，一直是航空发动机领域追求的目标。降低压气机进口的温度是实现这一目标的有效途径，目前，通常采用间冷回热来降低高压压气机进口的气流温度。虽然，采用间冷回热方法能够降低高压压气机进口气流温度，从而提高航空发动机的经济性和环保性，但是这种方法存在很多缺陷：采用间冷回热需要使用换热器来实现主流气体和换热工质之间的换热，而这会增加航空发动机的重量；采用间冷回热，需要在发动机的主流道中安装换热器，而这对主流气体的组织流动会产生一定影响；采用间冷回热，主流气体和换热工质需要在极短时间内交换大量的热量，这与本发明提出的在各级压气机叶片表面冷却主流气体相比，换热效率会有所下降。 

发明内容

本发明技术解决问题：克服在压气机级间冷却主流空气的不足，提出一种航空发动机主流气体换热方法，可以有效降低航空发动机的重量和压气机的负荷，同时能够进一步提高换热效率。 

本发明所提供的技术方案是：一种航空发动机主流气体换热方法，包括主流流路中的布莱顿循环，还包括超临界状态流体循环，超临界状态流体循环和布莱顿循环相互独立；所述布莱顿循环包括进气道、风扇、中压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管(图2)，各部件按上述顺序依次连接，所述超临界流体循环包括超临界流体通过每一级压气机叶片内部填充多孔微尺度介质的冷却通道对航空发动机主流气体进行冷却，之后超临界流体通过换热器被外涵道气体冷却，并利用高压级带动的增压泵对超临界流体增压，最后流回高压压气机前形成封闭循环；所述超临界状态流体是指工质的压力至少高于0.5MPa，温度高于临界温度至少200度；所述微小尺度是指几何尺度不大于2毫米。 

所述压气机叶片内部填充多孔微尺度介质的冷却通道的几何结构横截面为圆形、方形或椭圆形。 

所述压气机叶片内部填充多孔微尺度介质的冷却通道的几何结构纵向设计为双通道单肋板结构、双通道三肋板结构、三通道三肋板结构、或为任意通道数和肋板数。 

所述多孔微尺度介质的材料选用金属铝泡沫、石墨泡沫、炭泡沫、陶瓷泡沫等。 

所述压气机叶片内部填充多孔微尺度介质的冷却通道是单个或多个通道。 

根据需要，在所述压气机叶片内部填充多孔微尺度介质的冷却通道表面采用强化换热涂层或表面改性处理以强化换热。 

所述强化换热涂层为包含金的涂层；所述表面改性处理采用化学气相沉积方法。 

所述超临界流体使用液体或气体工质，但冷却工质应该密封，以保证其洁净，不会造成微尺度小孔的堵塞。 

与常规的压气机级间冷却相比，本发明的优点在于： 

(1)在压气机主流空气的冷却过程中，没有使用换热器进行冷却，从而可以降低航空发动机的重量；在压气机主流通道中不使用换热器；具有更长的换热时间，适合于在航空发动机中使用。 

(2)在压气机主流空气的冷却过程中，没有使用换热器进行冷却，从而可以避免换热器对主流空气流动的影响。 

(3)在每一级压气机的叶片表面，流经压气机的主流空气和超临界冷却工质进行换热，从而大大提高了两种工质的换热时间，可以进一步提高超临界工质的换热效率。 

(4)每一级叶片的内部采用的是微尺度换热通道，这样可以大大增加超临界工质和主流气体的换热面积，从而进一步提高换热效率。 

(5)压气机叶片内部是流通通道，这样可以使压气机叶片的重量有所减小。 

附图说明

图1为原间冷布局示意图； 

图2为本发明的压气机主流气体冷却方法示意图； 

图3为压气机叶片多孔微尺度通道结构示意图；其中a表示压气机叶片内部冷却通道横截面的形状是方形，b表示压气机叶片内部冷却通道横截面的形状是椭圆形，c表示压气机叶片内部冷却通道横截面的形状是圆形； 

图4为实施例1中压气机叶片冷却通道横截面为方形的压气机叶片的横截面示意图； 

图5为压气机叶片冷却通道纵向几何结构为单通道单肋板形式，多孔微尺度介质完 全填充的示意图，其中①表示的是超临界流体流过单通道，②表示的是单肋板，阴影部分表示填充的多孔微尺度介质。