[发明专利]一种空气气膜和水发散复合叶片冷却的方法

说明书

本发明揭示一种叶片空气气膜和水发散复合冷却的方法。它是让飞机发动机携带一定重量的水(比如说120kg)，这120公斤水只需要在飞机从加速时刻开始到起飞升空起飞的120秒钟使用。冷却水利用飞机发动机压气机的压力，通过喷嘴喷入隔热的挡板(front cover plate)和转子之间，在离心力分层的作用下，冷却水输送到叶片的水冷通道。叶片表面有两种冷却气孔，一种是空气气膜气孔，另一种水发散复合冷却气孔。水在叶片中加热蒸发，从这些小孔散发到叶片的表面，和气膜冷却的气体一起形成冷空气的保护层(热保护)减少和主要流体(main flow)的换热。本发明解决了军用飞机发动机在起飞加力的时候动力不足，疲劳寿命短的问题。

技术领域

本发明属于军用飞机发动机技术领域，特别涉及一种透平空气工质叶片气膜(film cooling)和水工质发散(transpiration cooling)复合冷却的方法。

背景技术

涡轮叶片是飞机发动机涡轮转子的重要部件。叶片负责从燃烧室产生的高温高压气体中提取能量推动转子运转。涡轮叶片可能因为受到离心力和高阶疲劳应力 (HCF)、高温产生的温度应力和蠕变而破坏。

现代军用发动机，追求大的推重比。在恒定的压力比下，热效率随着最大温度的增加而增加。但是，进一步提高温度受高压涡轮(HPT)转子和叶片材料的高温强度的限制。涡轮叶片冷却技术的提高可以进一步加大发动机推力，提高转子的寿命。

涡轮叶片冷却技术是不是两大类：叶片内部冷却和叶片外部冷却。

叶片内部冷却只相对较早的技术包括对流冷却和冲击冷却。叶片外部冷却气膜冷却和发散冷却(也叫发汗冷却)。

气膜冷却是通过压缩的冷却空气从叶片的多个小孔结构出来，在叶片的外表面上产生冷却空气的薄层，气膜冷却空气(secondary flow)的保护就减少和主要流体(mainflow)的换热。

发汗冷却是冷却空气是通过多孔的壳体泄漏的。多孔冷却的机理是两个过程的结合：内部传热：当冷却剂从多孔基体中带走热量时。外部传热：冷却空气均匀地覆盖整个叶片与凉爽的空气这样就减少和主要流体(main flow)的换热(热保护)。

本发明揭示一种叶片空气气膜和水发散复合冷却的方法。它是让飞机发动机携带一定重量的水(比如说120kg)，这样的120公斤水只需要在飞机从加速开始到起飞升空起飞的一百二十秒钟使用就足够了。

美国联邦飞行管理局(FAA)规定商业飞机的低周疲劳(LCF)寿命是一万次起降。飞机发动机寿命计算是根据起飞时的最大应力和飞机在地面空转(idle) 时刻应力。军用飞机发动机考虑了加力(afterburn)和空中格斗等一系列任务 (composite mission)，这样的寿命等效成低周疲劳(LCF)更短，只有一两千次。飞机正在跑道上。从加速开始到起飞升空起飞的一百二十秒钟。飞机发动机推力最大通常，航空母舰行型的发动机会伴随加力，转子转速最大，HPT叶片温度最高。在起飞这个时候采用水冷效果最好。HPT叶片温度是发动机效率和推力的瓶颈。在HPT叶片这个位置用水冷效果最好。

冷却水利用飞机发动机压气机的压力，通过喷嘴喷入隔热的挡板(front coverplate)和HPT转子叶轮之间，并且和原有的冷却空气混合。在离心力分层的作用下，冷却水输送到叶片的水冷通道，而原有的冷却空气走原有的空气通道。叶片表面有两种类型的孔，一个是为了气膜冷却用的，一个是为了发散冷却用的。发散冷却用的是一种盲孔，它的盲端是由叶片的多孔隔热陶瓷材料 (thermal barrier coatings)组成。水在叶片中加热蒸发，从这些小孔散发到叶片的表面，和气膜冷却的气体一起形成冷空气的保护层(热保护)减少和主要流体(main flow)的换热。在保留现代军机发动机原有的气膜冷却的基础上增加了水的发汗冷却。所以，这样的冷却效果会比原有的效果还要好

本发明是在世界上最先进的军机使用的空气气膜冷却的基础上创新改进，它有以下特点：