【硕士论文】利用红外热像技术实验研究层板结构的冷却特性.pdf

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1、摘要摘要为了研究层板冷却特性，在高温热风洞中，应用红外热像系统，对三个具有真实燃气轮机尺度的层板结构进行冷却特性实验研究。为了准确测量表面温度，采用了高精度热电偶校正法，建立修正关系；为了描述冲击、对流及导热的综合作用，采用数字图像信号运算技术，直接获得描述冷却前后层板高温表面二维温差分布。实验在高温亚声速风洞中进行，通过比较三种层板结构综合冷却效率，详细讨论了绕流柱数目及直径、膜孔角度、主流雷诺数和努塞尔数对层板冷却效率的影响。实验结果展示了冷却介质注射量对层板冷却特性的影响，证明远红外热像技术用来研究层板冷却特性是一种有效的方法。同时，运用图像处理技

2、术，分析了层板表面两个特征区域的温度分布。关键词：层板结构冷却效率红外热像技术雷诺数努塞尔数第一章绪论第一章绪论1．1引言航空发动机是飞机动力源，而目前最为广泛应用的是燃气涡轮发动机。从燃气涡轮发动机发展历程来看，每一次在技术上的突破，传热和热控制技术都起到至关重要的作用。提高燃气涡轮前的温度可以增大发动机的比功率，提高热效率，降低油耗Il引。空天飞行器热防护技术的提高依赖两个方面：材料的抗高温的性能改进以及冷却技术的发展。而飞机的发展历史告诉我们：在这两个方面中，冷却技术的进步将起着至关重要的作用。目前空间运载器的很多受热部件，如发动机推力室、燃气发生

3、器、预燃室涡轮叶片可以说都还没达到可重复使用的要求，其中尤以发动机推力室的热环境最为恶劣。现代液体火箭发动机推力室的燃气压力可达20MPa以上，燃气温度也可达3000～-4000K。这样高温、高压燃气流将产生巨大的对流和辐射热流，对推力室壁面构成巨大的威胁[201。1．2航空发动机的发展对冷却技术的要求高温涡轮是飞机涡轮发动机的重要部件。提高涡轮进口温度对于增加发动机推力和功率都起到了非常重要的作用。它不但可以提高热循环效率和单位体积的输出功率，还可以提高发动机的推重比，因此飞机可以降低油耗、加大航程、涡轮前进口温度每提高55K，在发动机其他尺寸不变的条

4、件下，发动机的推力就可以提高10％【z⋯。上世纪90年代，推重比为10一级加力式涡轮发动机被成功研制出来，二推重比为15"--20的发动机也处在积极迅速的研究和发展阶段。推重比为lO的发动机的涡轮入口温度已已经达到1580℃～1680℃。二推重比为20的飞机发动机的涡轮的入口温度将达到2130℃。回顾历史，展望未来，在新一代的飞机和导弹研制的过程中，冷却技术的发展将起到最为重要的决定性作用。我们根据计算，当导弹以20马赫数进入大气层时，导弹的弹头必须受到几十兆瓦每平方米的热流侵蚀，弹头的局部问题将上升到7000℃以上。但到目前为止，优秀的合金材料的允许温

5、度也只有1300℃左右，陶瓷材料也仅到达2300"C左右。因此，冷却技术在未来的空间飞行器的研制过程中的作用可见一斑。涡轮材料近期发展的方向【21，22】是定向共晶合金、超单晶合金、机械合金化高第一章绪论温合金。远期发展方向是人工纤维增强高温合金、定向再结晶氧化物弥散强化合金以及新的能承受高温的材料，如金属间化合物及复合材料，碳一碳复合材料，陶瓷和陶瓷基复合材料。未来的发动机将大量采用非金属材料，以氮化硅为代表的高温结构陶瓷是最有前途的材料之一。涡轮入口温度以每年平均提高20℃的速度增加，而金属耐温程度仅以每年约8"C的速度增加，因此，即使发动机涡轮部件

6、采用最先迸的耐高温材料，也不能完全取消冷却，先进的冷却可使高温部件能承受更高的工作温度，使发动机寿命更长、可靠性更高【19】。目前先进发动机的涡轮前入121温度已达到了2000K左右，比高压涡轮叶片金属材料的熔点高400K，可见冷却设计的重要性和迫切性。涡轮入口温度的提高，必然使得叶片和涡轮盘的热负荷增大，为保证其可靠地工作，必须进行较好的冷却。由于用于冷却的压缩空气没有在涡轮内部做功，而且产生附加的流动损失，所以发动机热循环效率比理论值有所降低，例如，叶片冷却空气流量为总空气流量的3～7％时，热循环效率比理论值要低4．4～12．5％。因此，现代世界各国

7、，不管是民用还是军用航空发动机都在尽可能的采用具有新颖冷却结构的叶片和燃烧室，力求用有限的空气获得最大的冷却效果。1．3涡轮叶片冷却技术及其发展1960年以前由于没有采用冷却叶片r刁，涡轮进口温度一直不能超过1050"C。之后，发展了简单的直冷却通道的叶片，但这种冷却结构强化内部换热的作用不大，使涡轮进El温度停留再1000～l150。C之间，冷却效率仅达到0．4左右。在孔道对流冷却的情况下，空气穿过设置在叶片内部的气流通道系之后排放进入流通部分。按气流运动的方向可将叶片区分为纵向流叶片、横向流叶片和混合流叶片。冷却通道可以是光滑的，在内表面上可以有内肋

8、、销钉和绕流柱增加紊流度、换热面积来强化叶片的冷却效果。之后又发展导向叶片内部开