涡轮的冷却
飞机涡轮冷却器原理
飞机涡轮冷却器原理
一、涡轮冷却器的作用
随着飞机发动机功率的提高，涡轮喷气发动机叶轮和涡轮桨发动机的温度也越来越高，如果没有有效地热管理系统来控制温度，这些零部件的寿命可能会受到影响。
因此，涡轮冷却器的作用就是在高温情况下将空气或者液体引入叶片中对其进行冷却，以保持涡轮的工作温度在安全范围内。
二、涡轮冷却器的原理
目前，涡轮冷却器的主要原理有两种：
1.外冷却
外冷却是指在叶片表面附近通过空气或液流来降低叶片的温度。
其原理类似于板散热器，顺流冷却和逆流冷却是两种主要的外冷却技术。
顺流冷却：气流或者液流沿着叶片表面流动，将热从叶片表面带走，是涡轮冷却器中最常用的技术。
逆流冷却：气流或者液流从叶片的内部流动，冷却后又通过叶片的外部散热，可有效降低叶片表面的温度。
2.内冷却
内冷却是指直接将冷却介质注入叶片内部来冷却叶片。
这种
冷却技术可以有效提高叶片的工作温度极限，但技术要求相对较高。
主要包括通道冷却和膨胀冷却两种技术。
三、涡轮冷却器的设计要点
涡轮冷却器的设计要点包括：
1.冷却介质的选择：目前主要选择的介质为空气和燃油。
空气冷却使用方便，但由于空气的热容量小，因此冷却效果不如液体。
燃油冷却效果好，但会增加发动机自重。
2.叶片结构设计：涡轮冷却器必须与叶片结构相匹配，以达到最佳冷却效果和安全性。
3.冷却系统的设计：设计中需要考虑冷却系统的流量、压力和温度等特性，以确保冷却系统的性能和稳定性。
涡轮叶片的典型冷却方式
涡轮叶片的典型冷却方式
涡轮叶片是涡轮机中最重要的部件之一，其工作环境极为恶劣，需要承受高温、高压和高速等多种极端条件。
为了保证叶片的正常运行，必须采用有效的冷却措施来降低叶片表面温度。
目前，涡轮叶片的典型冷却方式主要包括以下几种：
1. 内部通道冷却
内部通道冷却是一种常用的涡轮叶片冷却方式。
具体来说，就是在叶片内部设置一些细小的通道，并通过这些通道将冷却剂引入到叶片内部，形成流动状态。
由于冷却剂在流动过程中会带走热量，因此可以有效地降低叶片表面温度。
2. 表面膜孔冷却
表面膜孔冷却是一种比较新颖的涡轮叶片冷却方式。
它利用激光或电火花等技术在叶片表面打出大量微小的膜孔，并通过这些膜孔将冷却剂喷射到叶片表面形成薄膜层，从而起到降温的作用。
这种冷却方式具有结构简单、冷却效果好等优点。
3. 外部喷淋冷却
外部喷淋冷却是一种比较常见的涡轮叶片冷却方式。
它通过在叶片表面喷洒冷却剂，形成一层水膜，并利用水膜带走热量来达到降温的目的。
这种冷却方式具有操作简单、成本低等优点，但需要注意防止喷淋水进入涡轮机内部。
4. 氣體通道內壁薄膜冷卻
氣體通道內壁薄膜冷卻是一種新型的涡轮叶片冷卻方式。
具體來說，就是在氣體通道內壁上形成一層非常薄的金屬材料，在其表面噴塗一層高熱傳導性能的材料，如陶瓷等，這樣可以有效地降低氣體通道內壁溫度，提高了涡轮機的效率和可靠性。
总之，以上几种涡轮叶片冷却方式各具特点，可以根据不同的工作环境和要求进行选择和组合，以保证涡轮叶片的正常运行。
涡轮增压冷却方式
涡轮增压器的冷却方式
涡轮增压器的冷却方式主要有两种，分别是水冷和油冷。
1.水冷方式是在进气管路中安装一个水冷中冷器，类似于三明治，
一侧走冷却液，另一侧走增压空气。
这种冷却方式主要通过循环往复的水泵工作，对涡轮增压器进行降温。
2.油冷方式则是将涡轮增压器的旋转轴承沉浸于润滑油当中，以防
止温度过高导致轴承损坏。
油冷主要是依靠机油在中间体轴部件中运行，承担润滑和冷却的作用。
此外，有些涡轮增压器的中间体没有冷却水套，只是依靠油和空气来冷却。
这种涡轮增压器在重载或高速运转后立即停机时，由于轴承温度高，油可能会在轴承中燃烧。
因此，这种涡轮增压发动机应怠速运转至少1分钟后才能停车。
为了保证涡轮增压发动机工作时的稳定性及耐久性，涡轮增压器拥有非常完备的润滑冷却系统。
它通过在涡轮增压器轴承位置分布冷却管道，里面充满冷却液，通过水泵为其供给能量，循环往复，以降低涡轮增压器的温度。
同时，涡轮增压器的轴承沉浸于油液中，为涡轮增压器高速的旋转提供足够的润滑。
然而，当发动机熄火之后，发动机水泵会停止运转，同时涡轮增压器的润滑油液也会失去流动性。
由于涡轮增压器本身的惯性作用，它会继续旋转，但由于润滑冷却的缺失，进而容易导致涡轮增压器旋转轴
承会出现短暂的高温现象，造成涡轮增压器损坏。
因此，在涡轮增压发动机熄火之前，应先怠速3~5分钟，待涡轮增压器温度降低之后，再熄火，这可大大延长涡轮增压器的使用寿命。
航空发动机的涡轮叶片冷却技术
航空发动机的涡轮叶片冷却技术航空发动机被誉为现代工业的“皇冠”，而涡轮叶片则是这顶皇冠上的璀璨明珠。
在航空发动机的工作过程中，涡轮叶片面临着极端恶劣的工作环境，高温、高压、高转速等因素使得涡轮叶片的冷却成为了至关重要的技术难题。
本文将深入探讨航空发动机的涡轮叶片冷却技术。
航空发动机的涡轮进口温度极高，远远超过了涡轮叶片材料的熔点。
如果没有有效的冷却措施，涡轮叶片将很快失效，从而导致发动机故障甚至无法正常工作。
因此，为了确保发动机的可靠性和耐久性，必须采用先进的冷却技术来降低涡轮叶片的工作温度。
目前，常见的涡轮叶片冷却技术主要包括内部对流冷却、气膜冷却和热障涂层等。
内部对流冷却是涡轮叶片冷却的基础技术之一。
通过在叶片内部设计复杂的冷却通道，让冷却空气在通道内流动，从而带走叶片表面传来的热量。
这些冷却通道的形状和布局经过精心设计，以实现最佳的冷却效果。
冷却空气通常从压气机引入，经过一系列的导流和分配装置，进入叶片内部的冷却通道。
在通道内，冷却空气与叶片壁面进行热交换，吸收热量后从叶片的尾缘或其他部位排出。
为了提高内部对流冷却的效率，工程师们不断优化冷却通道的结构，采用诸如扰流柱、肋片等措施来增强换热效果。
气膜冷却则是在涡轮叶片的表面形成一层低温气膜，以隔离高温燃气与叶片表面的直接接触。
在叶片表面上分布着一系列的小孔或缝隙，冷却空气从这些小孔或缝隙中喷出，形成一层薄薄的气膜覆盖在叶片表面。
这层气膜能够有效地阻挡高温燃气的热量传递，从而降低叶片表面的温度。
气膜冷却的效果取决于气膜的覆盖范围、厚度和稳定性等因素。
为了获得更好的气膜冷却效果，需要对小孔或缝隙的形状、分布和喷射角度等进行精确设计。
热障涂层是另一种重要的涡轮叶片冷却技术。
热障涂层通常由陶瓷材料制成，具有较低的热导率和良好的高温稳定性。
将热障涂层涂覆在涡轮叶片的表面，可以有效地减少热量向叶片内部的传递。
热障涂层能够承受高温燃气的冲刷和腐蚀，同时起到隔热的作用，显著降低叶片的工作温度。
燃气轮机涡轮叶片冷却试验测试技术
涡轮叶片冷却设计的各项验证试验是燃气轮机整机测试前需要完成的基本任务。
这些验证试验会用到多种测试技术，叶片设计人员掌握这些测试技术的原理、仪器和使用方法，可以为叶片冷却设计的验证和产品的研制成功提供基础支撑。
燃气轮机涡轮叶片冷却设计的验证，需要经过一系列循序渐进的试验，一般分为流量试验、内换热系数试验、气膜有效度试验、外换热系数试验、冷效试验、整机试验等。
燃气轮机研发中的这些试验需要用到多种试验测试技术，主要分为常规流场测量技术、叶片温度测量技术、传热组合量的测量等几类。
其中，流场测量是各项冷却试验测试的基础，叶片温度测量是冷却试验的核心，其他物理量的测量则是为了测量一些组合物理量，如热流密度、换热系数、气膜有效度等。
为了达到试验目的，顺利完成试验任务，选择合适的测量技术至关重要。
常规流场测量技术涡轮叶片的各项验证试验都需要测量流场的基本参数，其中，流量、压力、流场温度、湍流度等参数是最基本的测量物理量。
流体流量和压力的测量已经非常成熟，不再赘述。
流场的温度测量方法也很多，叶片温度测量所使用的大部分技术和手段都可用于流场温度的测量（在叶片温度测量技术中详细叙述）。
流场湍流度的测量相对复杂，且一般需要经过数据处理和换算，目前常用的手段有脉动压力传感器、激光多普勒测速（LDV）、热线风速仪（hot wire anemometer）和粒子图像测速（PIV）技术等，其中热线风速仪使用最为广泛。
热线风速仪主要有恒温式和恒流式两种，常用的是恒温式。
热线风速仪有很多的生产厂家，但可用于流动细节和机理研究、可测量较高脉动频率的较少。
目前的技术还是用于测量较为宏观的参数，这对于试验而言也已经足够。
热线风速仪的国际知名厂商主要有美国的提赛环科仪器（TSI）公司和丹麦的丹迪动态（Dantec）公司，它们的典型产品性能如表1所示。
表1 热线风速仪性能叶片温度测量技术叶片温度的测量是冷却试验的核心。
温度测量技术可以分为两大类，接触式测量和非接触式测量。
涡轮叶片冷却方式
涡轮叶片冷却方式
涡轮叶片冷却方式有以下几种：
1.内部冷却：采用通过叶片内部流动的冷却介质，如空气或冷却剂，来冷却涡轮叶片。
这种冷却方式可以通过叶片内部设置冷却通道来实现，通道的大小、形状、布局都会影响冷却效果。
2.表面冷却：通过喷洒冷却介质在叶片表面形成膜层，将叶片表面温度降低。
这种冷却方式适用于高温环境下的叶片，但喷洒的冷却介质需要经常维护和更换。
3.涂层冷却：在叶片表面涂上具有良好散热性能的涂层来降低叶片表面温度，以保证叶片的使用寿命。
涂层冷却技术具有优异的耐高温性能，但需要在设计时考虑涂层的厚度和性质。
4.气膜冷却：沿叶片表面形成一层气膜，在气膜中通过冷却介质，如空气或气体，来降低叶片表面温度。
气膜冷却技术能有效减缓叶片表面的热流，既具有便捷性，又可大幅减少叶片表面的热应力。
航空发动机涡轮叶片冷却技术综述
航空发动机涡轮叶片冷却技术综述2 中国人民解放军31434部队3 空军航空大学航空作战勤务学院摘要:航空发动机是飞机的心脏，而涡轮叶片是航空发动机核心部件之一，被誉为“皇冠上的明珠”。
本文简单介绍了涡轮叶片冷却技术的重要性及其基本原理，分类列出了目前实际应用中的几种主要的涡轮叶片冷却技术。
对相关文献资料进行汇总分析后提出了涡轮叶片冷却技术的发展趋势。
关键词: 航空发动机涡轮叶片冷却技术传热系数0引言1903年12月7日由莱特兄弟设计的“飞行者1号”实现了有动力、载人、持续、稳定和可操纵的重于空气的飞行器的首次升空。
开创了航空飞行的新纪元。
100多年过去了，航空事业得到了迅猛的发展。
作为飞机的“心脏”，航空发动机也同样走过了百年的光辉历程，从最初的活塞式发动机，发展到后来的航空燃气涡轮发动机，再到目前正在研究的新概念、新能源发动机，航空发动机的性能也一直在进步。
航空发动机决定着飞机的性能，对国防和国民经济具有重要意[1]。
现今的航空发动机以航空燃气涡轮发动机为主。
分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、桨扇发动机等。
涡轮部件在这些种类的发动机中起着极其重要的作用。
1航空发动机涡轮叶片冷却的意义航空发动机涡轮属于热端部件，涡轮叶片的工作环境非常恶劣：叶片工作温度很高，进口燃气温度已达1400甚至更高，对高温下叶片材料的持久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳和机械疲劳性能以及抗高温氧化和抗热腐蚀能力提出了更高的要求。
我国早期发展的航空燃气涡轮发动机涡轮叶片并没有采用冷却技术，这也在很大程度上限制了我国航空发动机的技术革新，使得涡轮前温度受限。
涡轮叶片冷却技术的出现，在极大程度上解决了航空发动机涡轮叶片材料受限的难题，大大拓宽了航空发动机的技术革新领域，增大了航空发动机的气流冷却能力。
理论与实践都已表明，应用新发展的冷却技术取得的发动机性能的提高远大于高温材料的发展速度，已成为提高发动机性能的有效、可行途径之一。
航空燃气涡轮发动机涡轮叶片综合冷却效果试验方法
航空燃气涡轮发动机涡轮叶片综合冷却效果试验方法 1. 嘿，你知道航空燃气涡轮发动机涡轮叶片的综合冷却效果咋试验不？就像咱要测试一个大力士能举起多重的东西一样，得有专门的办法呀！比如说可以用特殊的仪器去测量温度变化啥的，这多有趣啊！
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我觉得航空燃气涡轮发动机涡轮叶片综合冷却效果试验方法特别重要，只有通过科学有效的试验，才能让发动机更好地工作，保障飞行安全呀！。
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为什么需要冷却？
• 提高涡轮进口温度是增大和提高发动机推力与推 重比的重要手段。 • 在材料耐温能力有限的前提下，涡轮叶片冷却技 术成为了提高涡轮进口温度、保证涡轮在高温环 境下可靠工作的可行且高效的途径。
3000 2800
材 料表面温度/K
碳/碳复合材料
2600 2400 2200 2000 1800 1600
2 3 2 1 2 冷却机匣
来自压气机的空气
喷嘴环
工作轮叶片
冷却叶片 和轮盘 来自压气机的空气
涡轮冷却方式
• 对流冷却
– 冷却空气从叶片内若干专门的通道流过，与壁面产生 热交换，将热量带走。
叶身精铸处9个 径向小圆孔
冷却空气由中 间叶跟两侧小 孔流入叶身
涡轮冷却方式
• 冲击冷却
– 使一股或多股冷却空气射流正对着被冷却的表面。
涡轮冷却方式• 采用对流、 Nhomakorabea击和气膜三中冷却方式
涡轮冷却结构
涡轮冷却效果
冷却效果的确定 1.0
0.8
发散
冷 却效 率
0.6
冲击 /横向流 气膜 多通道/往返支板式
/无气 前缘冲击 膜
0.4 0.2
简
径向 单
冷却 流
0 0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
冷却空气量占百分比/% WAB
导流叶片开有小孔和缝隙， 对准叶片内表面特别需要冷 却的部位，加强冷却效果
冷却空气从圆管两端进入， 由圆管前缘小孔排出，冷却 叶片前缘。
涡轮冷却方式
• 气膜冷却
– 冷却空气进入叶片内腔，通过叶片壁面上大量小孔流 出，在叶片表面形成一层气膜。
涡轮冷却方式
• 发散冷却
– 冷却空气从叶片内腔通过叶片壁面上无数微孔渗出， 像出汗一样，在叶片表面形成气膜。
陶瓷基复合材料和陶瓷 热屏障涂层
金属基复 合材料
纤维强化超合金 常规制造 氧化物扩散强化超合金 共晶体 单晶 定向凝固超合金
1400 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 在发动机中应用的大概年代
涡轮冷却原理
• 充分利用冷却空气（温度较低）与涡轮基体内部的冲击、 对流换热、与叶片外表面的对流换热以及冷却空气在叶片 表面形成气膜隔绝燃气保护叶片，从而降低涡轮叶片的温 度。