叶轮机械气动热力学-第 7 章

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1、Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery《叶轮机械气动热力学》李亮工学博士，副教授叶轮机械研究所东三楼乙305，82665062liliang@mail.xjtu.edu.cn2011-10-201/83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery第七章透平中的冷却和换热7.1序言各类叶轮机械中，高温透平部件需要进行冷却和换热分析；涡轮喷气发动机(Turbojet)中的性能分析具有代表性；涡轮

2、喷气发动机两个重要的性能指标为：1推重比(Thrust/UnitMassFlowRate)：；Fma2单位推力燃料消耗率(ThrustSpecificFuelConsumption)：TSFC；对理想涡轮喷气发动机的表达式(kerrebrock,1977)：压气机总压比cT透平进口总温0tTT0011m空气流量attTT01m燃料流量f11/Q燃料热值ccRM飞行马赫数0T进口静温1=>其它参数不变时，随着透平进口温度增加，推重比增加；2011-10-202/

3、83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery提高透平进口温度是提高燃气轮机性能最透平材料能主要的途径；承受的温度目前的材料能承受的温度不超过1300K，为了提高循环初温，大量采用冷却技术；燃气轮机中需要冷却的部位：燃烧室内衬(CombustionLiner)、透平叶片、端壁、排气喷嘴(航机)，轮盘(Disk)等；冷却技术的运用使航空发动机进口初温从1960年以来提高了750K；目前商用航空发动机透平进口温度超过1600K，军用发动机更高；

4、2011-10-203/83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery采用冷却技术提高初温的同时也带来了冷却通道、冷却孔中流动传热问题设计和分析的复杂性，包括机械、气动、热力等方面；从压气机中抽取高压冷却空气对燃机总体性能有影响，但收益大于代价；透平叶片运行条件极端恶劣：承受高温，叶片表面温度变化大(10~25%)；动叶/静叶干涉引起叶栅内非定常温度场；进口紊流度高，导致温度的随机波动；所有叶片中，第一级喷嘴叶片工作条件最恶劣，对其进行冷却

5、也最为关键；由透平速度三角形，喷嘴、动叶中总温为：W1M1a1由于，动叶中总温比喷嘴中低200～300K，从温度的角度看，动叶中工作条件好于喷嘴中；下游叶栅温度逐级降低，对冷却的要求降低；2011-10-204/83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery2011-10-205/83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery7.2传热(HeatTransfer)过程的基本概念考虑图中未冷却叶片

6、的情形，存在三种类型的传热现象：热传导(Conduction)；对流换热(Convection)；辐射换热(Radiation)；未冷却叶片在中低温条件下，热传导和对流换热是主要的传热形式；高温条件下，气体、固体通过电磁波释放、反射、吸收能量(辐射换热)；燃气透平中的温度条件下，辐射换热不是主要的传热形式(燃烧室主燃烧冷却叶片区需要考虑)；叶片表面传热现象本章只讨论热传导和对流换热；2011-10-206/83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomach

7、inery7.2.1热传导热流从介质的高温部分传导至低温部分；图a中：T>T，发生热传导，传热量由w2Fourier热传导定律计算：未冷却叶片K－热传导系数；取决于热量在介质分子间的扩散过程；一维热传导方程为：对三维热传导更普遍的控制方程为Poisson方程：冷却叶片2：算Laplace子叶片表面传热现象2011-10-207/83Xi’anJiaotongUniversityInstituteofTurbomachinery7.2.2对流换热固体介质中传热：热传导(分子热运动)；气体介质中传热：热传

8、导＋对流换热(分子的运动)；通常把气体介质中的传热统称为：对流换热；速度场与温度场强烈耦合，二者互相影响。在速度高，温差小的情形下，主要作用是速度场影响温度场，温度场对速度场影响小；当流动由外力引起（鼓风机、压气机、泵中流动）时，传热过程称为强制对流换热(ForcedConvection)；有些情形下速度较小，浮力(Buoyancy)是决定性驱动力，温度的大小及温差是影响流动速度的主要因素，称为自然对流换热(Natural/FreeC