燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒主動(dòng)冷卻技術(shù)綜述

魏琰

摘要：本文基于在DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果，并結(jié)合SIPOABS及CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析了燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒主動(dòng)冷卻技術(shù)的專利申請(qǐng)的分布情況和發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)技術(shù)發(fā)展路線及核心專利的研究，初步理清了燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒主動(dòng)冷卻技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞：火焰筒;冷卻

中圖分類號(hào)：TM611.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）21-0056-03

Abstract： Based on the search results in the DWPI database， this paper combines the SIPOABS and CNABS databases to statistically analyze the distribution and development trend of patent applications for gas turbine flame tube active cooling technology. Through the research of technology development route and core patents， the development of active cooling technology for gas turbine flame tube was preliminarily clarified.

Key words： Flame tube;cooling

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)已是熱動(dòng)力裝置中最為先進(jìn)的類型，被譽(yù)為機(jī)械工業(yè)皇冠上的明珠。先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展有著重大影響，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)和科技水平的重要標(biāo)志之一，是增強(qiáng)綜合國(guó)力與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要方面，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)中長(zhǎng)期目標(biāo)的核心技術(shù)和動(dòng)力基礎(chǔ)[1]。

現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要由壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部件組成。其工作原理為：工質(zhì)順序經(jīng)過(guò)吸氣壓縮、燃燒加熱、膨脹做功以及排氣放熱等四個(gè)工作過(guò)程而完成一個(gè)由熱變功轉(zhuǎn)化的熱力循環(huán)。

高溫部件一直是燃?xì)廨啓C(jī)研究的重點(diǎn)。燃燒室最主要的高溫部件是火焰筒，燃燒室中火焰筒的工作條件是極為惡劣的。在高溫、高壓的燃燒火焰和熱燃?xì)獾淖饔孟拢鹧嫱渤惺苤邚?qiáng)度的熱負(fù)荷和熱沖擊負(fù)荷，有時(shí)還有一定程度的機(jī)械振動(dòng)負(fù)荷。火焰筒常會(huì)發(fā)生裂紋、翹曲和變性等損壞現(xiàn)象，甚至還會(huì)出現(xiàn)脫焊、掉塊、磨損和燒穿等故障。為了解決這些問(wèn)題，確保安全和延長(zhǎng)燃燒室的工作壽命，必須合理地組織火焰筒壁的冷卻過(guò)程[2]。

燃燒室火焰筒的冷卻方式主要分為被動(dòng)熱防護(hù)和主動(dòng)熱防護(hù)兩種[3]。被動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)主要運(yùn)用在燃燒室溫度很高的飛行器中，如國(guó)外大部分沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室都采用隔熱層燒蝕冷卻這種被動(dòng)冷卻方式。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度相對(duì)于航天飛行器燃燒室溫度低，目前普遍采用的主動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)，即利用壓氣機(jī)后相對(duì)較冷的氣體通過(guò)火焰筒上的冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)火焰筒壁面進(jìn)行冷卻。燃?xì)廨啓C(jī)高溫升、低污染的發(fā)展趨勢(shì)導(dǎo)致了冷卻用氣量的減少，因此迫切需要高效的冷卻方式來(lái)降低熱端部件的工作溫度。

2 專利技術(shù)發(fā)展演進(jìn)

目前，燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒冷卻方式從基本冷卻原理上可以劃分為對(duì)流冷卻、氣膜冷卻、沖擊冷卻和發(fā)散冷卻。而其他多種新型冷卻技術(shù)基本上全部都是上述四種類型的復(fù)合形式。

2.1 對(duì)流冷卻

對(duì)流冷卻是使用最早的冷卻技術(shù)之一，低溫冷空氣通過(guò)對(duì)流換熱的方式帶走壁面熱量，冷熱流體不發(fā)生摻混。其優(yōu)點(diǎn)是加工簡(jiǎn)單，成本低。但是由于其冷卻效果有限，此種冷卻方式在早期更為廣泛的應(yīng)用是作為其他冷卻方式的補(bǔ)充，與其他冷卻方式構(gòu)成復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。對(duì)流冷卻與其他冷卻方式構(gòu)成的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)將在下文復(fù)合冷卻中進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

就單一形式的對(duì)流冷卻而言，目前所普遍采用的方式是對(duì)火焰筒與其外側(cè)套筒之間所形成的冷卻空氣流道進(jìn)行改進(jìn)以提高冷空氣對(duì)流換熱效率。美國(guó)的通用電氣在2010年3月2日申請(qǐng)的專利US8516822B2公開(kāi)的是一種冷卻結(jié)構(gòu)。如圖1所示。其通過(guò)空氣通道內(nèi)與軸向呈夾角的彎曲葉片引導(dǎo)冷卻空氣，迫使通道中冷卻氣流在彎曲葉片的引導(dǎo)下呈彎曲流動(dòng)，進(jìn)而提高冷卻空氣的傳熱效率。

2.2 氣膜冷卻

氣膜冷卻是使用最為廣泛，形式作為多樣的一種冷卻方式，在各種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室上均取得了大量應(yīng)用。其主要特點(diǎn)是：冷卻空氣通過(guò)某種進(jìn)氣形式進(jìn)入火焰筒并貼著壁面向下流動(dòng)，在內(nèi)壁面和熱燃?xì)庵g形成連續(xù)的氣膜。日本的三日立在1982年10月6日申請(qǐng)的專利JPS5966619A公開(kāi)的是一種氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。如圖2所示。其火焰筒沿軸向開(kāi)設(shè)有多個(gè)縫槽式氣膜孔2a，冷卻空氣通過(guò)個(gè)縫槽式氣膜孔2a進(jìn)入火焰筒并貼著壁面向下流動(dòng)，在內(nèi)壁面和熱燃?xì)庵g形成連續(xù)的氣膜。

2.3 多孔發(fā)散冷卻

多孔發(fā)散冷卻是利用先進(jìn)的工業(yè)加工方法在火焰筒冷卻壁面上打出很多數(shù)量的具有一定排布方式的直徑約為0.5～1mm的發(fā)散孔。低溫冷卻氣流穿過(guò)小孔在火焰筒內(nèi)壁形成持續(xù)均勻的氣膜毯。多斜孔冷卻是在常規(guī)發(fā)散冷卻技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效冷卻技術(shù)。美國(guó)的通用電氣在1992年9月24日申請(qǐng)的專利US5233828A公開(kāi)的是一種多斜孔發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)。如圖3所示。其在火焰筒壁面上開(kāi)設(shè)了多個(gè)發(fā)散孔80。這種冷卻結(jié)構(gòu)通過(guò)大量?jī)A斜小孔使火焰筒壁總冷卻面積極大增加。通過(guò)采用小孔進(jìn)氣抽吸火焰筒冷側(cè)氣體附面層，增強(qiáng)了背部的換熱能力，可在火焰筒熱側(cè)形成全氣膜保護(hù)。這種冷卻方式使得用于冷卻火焰筒的空氣量減少了40%，不僅使燃燒室出口溫度均勻，而且縮短了燃燒室的長(zhǎng)度。

近年來(lái)關(guān)于發(fā)散冷卻技術(shù)的專利主要集中在開(kāi)孔的規(guī)律以及開(kāi)孔形式上。法國(guó)的阿爾斯通公司在1998年5月20日申請(qǐng)的專利EP0959228B1公開(kāi)了一種發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)。如圖4所示。其發(fā)散冷卻孔采用了異型孔，在有效減少冷卻氣體用量的同時(shí)進(jìn)一步提高了燃燒室冷卻效率。

2.4 沖擊冷卻

沖擊冷卻采用雙層火焰筒壁面，其冷卻空氣垂直于壁面從外壁面進(jìn)入，沖擊到內(nèi)壁溫度較高的壁面上。此種冷卻方式主要用于對(duì)火焰筒局部熱點(diǎn)的降溫。美國(guó)的聯(lián)合工藝公司在1992年11月2日申請(qǐng)的專利US5687572A公開(kāi)的是一種用于燃燒室火焰筒壁面的沖擊冷卻結(jié)構(gòu)。如圖5所示。其火焰筒壁面40外側(cè)套設(shè)有沖擊壁面22，沖擊壁面22上開(kāi)設(shè)沖擊孔36，冷卻空氣通過(guò)沖擊孔36沖擊到火焰筒壁面40上對(duì)火焰筒進(jìn)行降溫。由于沖擊冷卻多用于具備降溫，且其沖擊氣流壓降損失大，所以沖擊冷卻更為廣泛的應(yīng)用同樣是與其他冷卻形式進(jìn)行結(jié)合，作為氣膜和發(fā)散冷卻形式的補(bǔ)充。

2.5 復(fù)合冷卻

復(fù)合冷卻是對(duì)流冷卻、氣膜冷卻、發(fā)散冷卻及沖擊冷卻相互組合的冷卻形式。常見(jiàn)的有對(duì)流/氣膜冷卻、對(duì)流/發(fā)散冷卻、沖擊/氣膜冷卻、沖擊/發(fā)散冷卻。

2.5.1 對(duì)流/氣膜冷卻。對(duì)流/氣膜的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)是在對(duì)流冷卻的基礎(chǔ)上增加了氣膜孔。美國(guó)的聯(lián)合工藝公司在1980年4月2日申請(qǐng)的專利US4302941A公開(kāi)的是一種燃燒室火焰筒壁面的結(jié)合對(duì)流和沖擊的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。如圖6所示。其冷卻通道內(nèi)設(shè)置了多個(gè)換熱肋片18，換熱肋片18之間形成冷卻氣道，且其沿火焰筒壁面軸向設(shè)置多個(gè)氣膜舌部24，空氣通過(guò)燃燒室外壁面上開(kāi)設(shè)的小孔22進(jìn)入冷卻氣道，進(jìn)而分別向火焰筒兩端流動(dòng)，同時(shí)通過(guò)火焰筒上的氣膜舌部形成氣膜。

2.5.2 對(duì)流/發(fā)散冷卻。對(duì)流/發(fā)散的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)是在對(duì)流冷卻的基礎(chǔ)上增加了發(fā)散孔。美國(guó)的聯(lián)合工藝公司在1975年7月16日申請(qǐng)的專利GB1550368A公開(kāi)的是一種燃燒室火焰筒壁面的結(jié)合對(duì)流和發(fā)散的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。如圖7所示。其采用了多孔層板結(jié)構(gòu)，包括用作火焰筒壁面的第二板14以及與第二板14相對(duì)設(shè)置的第一板12，二者之間形成夾層，夾層內(nèi)設(shè)置有多個(gè)導(dǎo)熱柱16，第一板上設(shè)置有多個(gè)與夾層連通的發(fā)散孔12，冷卻空氣通過(guò)發(fā)散孔12進(jìn)入夾層并在夾層內(nèi)形成氣膜毯，而導(dǎo)熱柱16的設(shè)置有效提高了冷卻空氣的冷卻性能。在保持相同壁面溫度的條件下，采用層板冷卻需要的冷卻空氣量更少。該項(xiàng)專利分別在英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、日本和法國(guó)進(jìn)行了申請(qǐng)。該項(xiàng)專利被引用了128次，引用該項(xiàng)技術(shù)的除了燃?xì)廨啓C(jī)之外，還涉及計(jì)算機(jī)等其他需要?dú)饫涞募夹g(shù)領(lǐng)域，可見(jiàn)該項(xiàng)專利技術(shù)引起了各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，對(duì)各領(lǐng)域的氣冷技術(shù)起到了重要的推動(dòng)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒冷卻技術(shù)是一個(gè)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化較高的技術(shù)，目前火焰筒主動(dòng)冷卻的核心技術(shù)主要掌握在美、德、日、法、英幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)企業(yè)當(dāng)中。我國(guó)近年來(lái)雖然加大了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒冷卻技術(shù)的研究，但是由于我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)起步晚，技術(shù)落后，與先進(jìn)國(guó)家之間的還存在較大的技術(shù)差距。

單一的對(duì)流冷卻和沖擊冷卻技術(shù)都具有一定的局限性，且由于這兩項(xiàng)技術(shù)較為成熟，改進(jìn)空間不大，所以如何將這兩項(xiàng)技術(shù)與發(fā)散冷卻及沖擊冷卻相結(jié)合是目前各大公司及科研機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李孝堂.現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[2] 沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司.燃?xì)廨啓C(jī)原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用（上冊(cè)）[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3] 王璐.某型駐渦燃燒室冷卻技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2001.