高压水射流技术在民用航空的应用

今天给各位分享高压水射流技术在民用航空的应用的知识，其中也会对如发动机零部件表面的强化、喷嘴喷杆微小孔内孔去除毛刺、整体叶盘开槽加工以及火焰筒群孔加工都能够更为简单、高效进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！

本文导读目录：

1、超高压水射流技术

2、高压水射流技术在民用航空的应用

3、航空发动机中的传热

　　利用超高压技术可以把普通的自来水加压到250-400Mpa压力，然后再通过内孔直径约0.15-0.35mm的宝石喷嘴喷射形成速度约为800-1000m/s的高速射流，俗称其为水箭，该水箭具有很高的能量，可用来切割软基性材料。如果再在水箭中加入适量的磨料则几乎可以用来切割所有的软硬材料。调整水射流的压力和流量，可以用其清洗各种物体，如除胶、除漆、除锈等，我们还可以利用超高压技术进行高压灭菌、食品保鲜等许多对人类有益的工作。 　　超高压水切割的特点 　　可以对任何材料进行任意曲线的一次性切割加工（除水切割外其它切割方法都会受到材料品种的限制）；切割时不产生热量和有害物质，材料无热效应（冷态切割），切割后不需要或易于二次加工，安全、环保，成本低、速度快、效率高，可实现任意曲线的切割加工，方便灵活、用途广泛。水切割是目前适用性最强的切割工艺方法。 　　水切割与激光切割比较 　　激光切割设备的投资较大，目前大多用于薄钢板、部分非金属材料的切割，切割速度较快，精度较高，但激光切割时在切缝处会引起弧痕并引起热效应；另外对有些材料激光切割不理想，如铝、铜等有色金属、合金，尤其是对较厚金属板材的切割，切割表面不理想，甚至无法切割。目前人们对大功率激光发生器的研究，就是力图解决厚钢板的切割，但设备投资、维护保养和运行消耗等成本也很可观。水切割投资小,运行成本低,切割材料范围广,效率高，操作维修方便。 　　水切割与等离子切割比较 　　等离子切割有明显的热效应，精度低，切割表面不容易再进行二次加工。水切割属于冷态切割,无热变形,切割面质量好,无须二次加工，如需要也很容易进行二次加工。 　　水切割与线切割比较 　　对金属的加工，线切割有更高的精度，但速度很慢，有时需要用其它方法另外穿孔、穿丝才能进行切割，而且切割尺寸受到很大局限，水切割可以对任何材料打孔、切割，切割速度快,加工尺寸灵活。 　　水切割与其它切割方法比较 　　对一些金属零件可采取冲剪工艺方法，效率高、速度快，但需要特定的模具和刀具，水切割与该切割方法相比柔性好，可随时进行任意形状工件的切割加工，尤其在材料厚、硬度高等情况下，冲剪工艺将很难或无法实现，而用水切割方法则较为理想；火焰切割也是金属领域常用的切割工艺，切割的厚度范围非常大，但与水切割相比其热效应明显、切割表面质量和精度较差，另外水切割能很好地解决一些熔点高、合金、复合材料等特殊材料的切割加工。 　　在玻璃、石材、陶瓷等切割加工行业，传统的方法是用金刚石刀具进行切、锯、铣等，切割的厚度范围非常大、速度较快，但对常规厚度的板材，水切割可进行高精度的任意曲线的切割加工，成品率高，降低生产成本，且大大提高加工产品的附加值。 　　超高压水射流清洗技术 　　超高压水射流清洗技术是近年来在国际上发展起来的一门高科技技术，该技术主要利用高速水射流的动能来剥离表面顽垢，它是以水为介质，通过柴油机组或电机组驱动大流量增压器，将水加压至40000PSI（300Mpa）的压力，再通过呈圆周排列的多个宝石喷嘴喷射而出，喷嘴由油压或者气压驱动旋转，形成多束、多角度、强度各异的超高压旋转水射流。对需要清洁的表面、设备内结垢和附着物以及堵塞物进行超高压清洗工作。该系统一般由柴油机组作为动力源，只需要提供水源即可运行，因此机动性能较强，可以很容易地实现车载或制成超高压清洗车。不管什么结垢沉积物，超高压水射流清洗技术都能使这些问题迎刃而解，将污垢彻底清除，留下清洁、光滑的表面。它比人工清洗快的多，不需要化学药品、溶剂或腐蚀剂（也不需要同时采用成本很高的安全措施），使之更洁净、更环保。“超高压水射流清洗设备”与“超高压水射流切割设备”同属于“超高压水射流技术”的具体应用，只是前者流量较大，压力较低。 　　超高压水射流清洗与其他清洗方式比较 　　超高压水射流清洗属于物理清洗方法，与传统的人工、机械清洗及化学清洗、生物清洗等其他清洗方式相比，有如下优点： 　　1.水射流的压力与流量可以方便地调节，因而不会损伤被清洗物的基体； 　　2.超高压水射流不会造成二次污染，清洗过后如无特殊要求，不需要进行清洁处理； 　　3.洗形状和结构复杂的物件，能在空间狭窄或环境恶劣的场合进行清洗作业； 　　4.与化学清洗、生物清洗不同，超高压水射流清洗无有害物质排放与环境污染问题； 　　5.超高压水射流清洗快速、彻底。如热交换器的清净率为95%以上，锅炉除垢率达95%以上； 　　6.清洗成本低，大约只有化学清洗的1/3左右，即超高压水射流清洗属于细射流，属于节能型设备； 　　7.超高压水射流清洗对设备材质、特性、形状及垢物种类均无特殊要求，只要求水射流能达以即可。 　　水切割典型应用范例 　　1、在金属切割领域中的典型应用 　　（1）装饰、装潢中的不锈钢等金属切割加工 　　（2）机器设备外罩壳的制造（如机床、食品机械、医疗机械、电气控制柜等） 　　（3）金属零件切割（如不锈钢发兰盘的半精加工、钢板结构件、有色金属、特种金属材料等） 　　2、在玻璃切割领域典型应用 　　（1）家电玻璃切割（燃气灶台面、油烟机、消毒柜等、电视机） 　　（2）灯具 　　（3）卫浴产品（淋浴房等） 　　（4）建筑装潢、工艺玻璃 　　（5）汽车玻璃等 　　3、陶瓷、石材等建筑材料加工领域应用 　　“水刀”在该领域的应用较早、目前在国内客户中绝对数量最大，该领域主要是用于艺术拼图，目前中国的陶瓷、石材艺术拼图产品远销世界各地。 　　4、复合材料、防弹材料等特殊材料的一次成形切割加工 　　5、软性材料的清水切割 　　（1）汽车内饰件的机器人空间切割 　　（2）泡沫海绵、纸等 　　6、低熔点及易燃、易爆材料的切割（如炸药、炮弹等） 　　7、超高压水清洗 　　（1）石油化工行业 　　换热器管程清洗； 　　U型管管程清洗； 　　浮头式换热器壳程清洗，空冷器翅片管清洗； 　　反应釜，塔槽内壁，设备内构件清洗； 　　大型储罐表面及内壁清洗处理； 　　其他。 　　（2）电力行业 　　清除冷凝器（箱）表面或内部污垢； 　　大型汽轮机转子、隔板、壳体内结垢物； 　　燃炉中损坏的耐火材料及各式预热、冷凝器等的结垢物，均能顺利清除，而不损原设备之性能； 　　其他。 　　（3）航空航天业 　　民用、军用航空机场跑道和护栏清洗，跑道除胶、清除停机坪油污和跑道上的交通标记等； 　　航空母舰平台跑道清洗； 　　其他 　　（4）船舶行业 　　用于船体表面需要定期除垢喷漆，采用超高压水清洗设备可以很容易去除污垢和表面漆，为进行重新涂漆做准备； 　　其他。 　　（5）汽车制造业 　　汽车涂装车间油漆及污垢清洗； 　　其他。 　　（6）建筑桥梁业 　　建筑外墙清洗； 　　剥离建筑物墙面旧涂层； 　　剥离地面的硬质合成纤维涂敷层； 　　其他。 　　（7）市政工程 　　城市街道路面口香糖清洗； 　　城市道路斑马线清洗； 　　城市涂鸦清洗； 　　城市牛皮癣清洗； 　　城市煤气管道清洗； 　　其他。　　摘要：航空工业是一个国家工业实力的重要体现，随着经济的快速发展，我国的民用航空发展迅猛，对于航空发动机的需求逐年增加。航空发动机是飞机的心脏，其工艺复杂、制造的难度较大，从而给航空发动机的加工制造带来了不小的难度。高压水射流加工技术是近些年发展起来的一种新型的加工技术，其主要利用高压水完成对于零部件的加工、切割、强化与去毛刺等。文章在分析高压水射流加工技术原理及特点的基础上对其在民用航空发动机加工中的应用进行了分析阐述。 　　关键词：高压水射流；航空发动机；加工应用 　　高压水射流加工技术最早起源于前苏联，经过多年的发展与完善，现今的高压水射流加工技术已经能够应用于机械加工中的多个方面。随着科技的发展与进步，高压水射流加工技术已经在航空航天、船舶、军工等多个领域中得到了较为广泛的应用。近些年来，国家加大了对于航空发动机领域研究，各种新型材料的使用使得高压水射流加工技术在其中得到较为良好的应用，通过高压水射流加工技术在民用航空发动机加工中的应用，可以使得以往加工较复杂或难以实现的工艺过程，如发动机零部件表面的强化、喷嘴喷杆微小孔内孔去除毛刺、整体叶盘开槽加工以及火焰筒群孔加工都能够更为简单、高效，通过在航空发动机加工中应用高压水射流加工技术对于提高民用航空发动机的加工效率与加工质量有着积极的意义。 　　1高压水射流加工技术的工作原理及特点 　　高压水射流加工技术最早起源于前苏联，被应用于矿山开采、木材切割等领域，随着科技的进步，高压水射流加工技术在发展中被不断的完善，其应用领域也在不断的扩展。高压水射流加工技术最主要依靠的是通过抽取并将水加压至几十甚至于几百兆帕，这些加压后的高压水被从特殊设计且孔径很小的喷嘴中喷射出来，依靠喷射出来的高压水的动能的冲击作用来对零部件进行加工的一种新型加工方法。高压水射流加工技术与激光、离子束等都属于高能加工的范畴。高压水射流加工技术中最主要部分是高压水射流系统，其整体主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统以及喷射管路系统、零部件加工工作台以及水循环系统等组成。在高压水的增压环节其主要依靠的是油压系统来推动大活塞往复运动来对水进行加压，其大活塞的往复运动依靠的是油压换向阀控制并改变油路的方向。在高压水射流系统工作时，首先供水系统对水进行净化处理，并在净化完成后的纯净水中加入一定的防锈剂等添加剂，而后通过使用抽水泵将水从储槽中抽入到水加压缸中。增压器是高压水射流系统中的核心环节，其通过依靠液压来推动大活塞进行往复运动来对泵入其中的水进行加压，增压器的结构及原理图如图1所示。增压器在工作时的增压比主要体现的是大活塞与小活塞的面积之比，完成增压后的高压水的压力能够达到100-750MPa之间。相较于传统的加工方式，高压水射流加工技术具有冷态加工、加工工艺简单、方便、能够实现多种材料的加工、加工效率高等特点。 　　2高压水射流加工技术在民用航空发动机加工中的应用 　　高压水射流加工技术随着多年的发展与完善，已经在多个加工领域中得到了广泛的应用，其能够对以往传统加工方式中的某些局限进行良好的补充，更好的改善并完成零部件的加工。航空发动机结构复杂，加工难度较大。通过将高压水射流加工技术应用于航空发动机加工中的零部件的打孔、清洗以及表面毛刺处理和强化处理等加工中可以取得良好的加工效果。在国外航空发动机的加工中，高压水射流加工技术已经得到了广泛的应用。 　　2.1高压水射流加工技术在民用航空发动机喷嘴、喷杆等加工中的应用 　　民用航空发动机的生产制造中要求燃油喷嘴、喷杆等的微细孔内孔表面光滑，不得有毛刺，使用传动的加工方法费时费力且无法取得良好、稳定的加工效果。通过在此类零部件的加工中应用高压水射流加工技术，利用高压水射流加工系统产生的高压水所具有的动能来冲击并去除零件加工中所产生的毛刺等，完成细孔内表面等难加工、难清洗部位的光整加工。通过应用此类方法能够良好的完成零部件微细孔的光整加工且不损伤细孔内零部件的基体，对于提高该类零部件加工的效率与质量有着极为重要的意义。 　　2.2高压水射流加工技术在航空发动机火焰隔热屏加工中的应用 　　火焰隔热屏是航空发动机中极为重要的零部件，其结构复杂，在对其进行加工时需要完成波峰、波谷上所分布的十几万个1.0mm群孔打孔作业，同时火焰隔热屏的壁厚极薄，在对其进行加工时不宜使用较大的压力以避免变形。在以往的加工过程中采用激光、电火花等高能热的加工方式，其加工效率较低且容易在孔面形成高温热再铸层，严重影响了火焰隔热屏的加工质量。在火焰隔热屏的加工中应用高压水射流加工技术，通过对加工时的水压一级喷嘴的孔径等进行调节，可以更好的对火焰隔热屏进行加工。相较于诸如激光等其他高能加工方式，其加工效率提高了一倍，并且高压水射流属于冷态加工，加工区域温升小，有效的避免了高温加工所带来的热变形与再铸层的问题。 　　2.3叶盘开槽加工 　　在整体叶盘叶形加工中以往多使用的是传统的铣削加工方式，效率低下且刀具成本较高，将高压水射流技术应用在整体叶盘的开槽粗加工中能够高效的减少后续精加工的加工余量，提高粗加工的效率并降低加工的刀具成本。在对整体叶盘开槽加工中可以采用5轴联动的高压水射流切割设备完成对于叶盘的开槽加工，在加工时选用0.3mm的高压水喷头，高压水的压力保持在300MPa以上，能够快速的完成整体叶盘叶形的开槽粗加工，且对后续的精加工没有影响。 　　2.4应用高压水射流技术实现对于发动机零部件表面的强化 　　通过利用高压水射流系统中所产生的高压水在开放式的水箱中能够完成金属零部件表面的强化，高压水的压力作用可以使得金属零部件取得较为良好的金属材料表面质量，改善金属零部件表面的机械性能。喷丸等常用表面强化方法为保证丸粒可靠作用于零件表面，对零件的结构有一定的要求，而高压水射流技术可以实现对丸粒可达性较差的狭窄区域的表面强化。高压水射流技术除了以上应用实例外还可以应用于发动机复合材料进气机匣、宽弦风扇叶片等关键零部件的加工。 　　3结束语 　　随着高压水射流技术的不断进步与发展，高压水射流技术所具有的优异加工能力在航空发动机零部件加工制造中得到了极大的认可，应用也越来越广泛。尤其在近些年需求越来越大的民用航空发动机领域，其不断采用的新材料、新技术更是为高压水射流技术的应用提供了更加广阔的前景。 　　作者:周立峰 单位:上海中航商用航空发动机制造有限责任公司 　　参考文献: 　　[1]朱海南，刘松，等.高压水射流技术在航空发动机上的应用[J].金属加工，2010，4. 　　[2]赵春红，秦现生.高压水切割技术及其应用[J].机床与液压，2006，2. 　　[3]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].机械工业出版社，2002，5.　　航空燃气涡轮发动机的理想循环为布莱顿（Brayton）循环,该循环由四个热力过程组成，包含了两个定熵过程和两个定压过程。 　　它们是： 　　:定熵压缩过程，工质在进气道、压气机中被压缩，工质的压力和温度升高，比容减小；:定压加热过程，在燃烧室中进行，工质的温度和比容提高，压力不变；:定熵膨胀过程，在涡轮、尾喷管中进行，工质的压力和温度下降，比容增大；:定压放热过程，在大气中进行，温度和比容下降，压力不变。✈假设在燃烧室中进行的燃油燃烧释放热能的化学反应过程为外部热源对工质加热的过程，并且忽略由流动阻力和加热所引起的压力降低，从而用定压加热过程代替之。✈假设工质完成的是一个封闭的热力循环。为此认为废气排入大气的过程是向冷源放热的过程，而且排出的废气和进入发动机进气道的空气的压力都接近于大气压，故将放热过程视为定压的放热过程。 　　理想循环的热效率： 　　式中：是比热容比；是发动机的增压比，即压气机出口气体总压与进气道进口气体压力之比。 　　理想循环功： 　　式中：，称为加热比； 　　上图为理想循环功与加热比和增压比的关系图，由图可以看出:加热比一定时,循环功随增压比变化的曲线有一个最大值。使理想循环功达到最大值时所对应的增压比称为最佳增压比，用符号表示。 　　利用导数方法得出最佳增压比为： 　　此时最大循环功为： 　　热效率为： 　　可以看出，航空发动机性能的提升最根本的是涡轮前温度的提高。 　　航空发动机的热端部件大多数工作在高温燃气环境中，且都是大负荷。 　　以涡轮工作叶片为例，对于等截面叶片，某一截面离心拉伸应力的公式为： 　　为叶尖半径，为截面所在半径；转速的单位是。 　　在高转速下，叶根处的离心拉伸应力可以到达，再加上气动载荷，使叶片的受力极大。同时，热端部件还要工作在接近的温度环境中，该温度已经超过目前使用的耐热合金熔点。因此常说涡轮的工作环境有“三高”，分别是高温、高转速和高功率负荷。 　　从图中可以看出，随着涡轮入口温度的逐年提高，材料的耐温极限与的差值越来越大，即需要冷却的温度越来越高。涡轮入口温度的提高不仅对热端部件的高温机械性能和寿命造成了重大影响，也对热防护技术提出了更高的要求。 　　在进行发动机热端部件设计时，一方面要不断创造耐温更高的材料，另一方面需要采取有效的热防护措施来保证这些零部件可靠地工作。航空发动机高温部件热防护的主要技术措施是用冷却介质进行有效的冷却和采用耐高温材料进行隔热。 　　航空发动机的热端部件包括燃烧室、涡轮和喷管，需要热防护的部件有燃烧室和涡轮。在高温下，镍基合金依然具有较高的比强度，因此航空发动机热端部件材料常采用镍基合金。 　　热障涂层（thermal barrier coating，TBC）具有良好的隔热效果、抗高温性能和防止腐蚀的作用,应用于涡轮发动机的热端部件,能显著提高使用温度,延长使用寿命。 　　热障涂层主要由金属黏结层和表面陶瓷层组成。金属粘结层主要用于防止合金基体的高温氧化与热腐蚀，同时提高基体合金与表面陶瓷层的结合强度。表面陶瓷层的主要成分是二氧化锆，采用等离子火焰喷涂的方法黏附在叶片表面上，它具有熔点高和抗热冲击的特性。陶瓷涂层的主要问题是材料的稳定性和由于与金属的热膨胀系数有较大差别而易于受热脱落，故通常使用的氧化钇作为添加剂来提高晶体结构的相位稳定性。 　　使用冷却介质进行冷却时，通常采用压气机出口、中间级、入口引出的高压空气作为冷却介质，对发动机热端部件进行冷却；冷却空气同时担负密封、防冰、平衡发动机轴向力，调节间隙的作用。 　　以涡轮叶片为例，进行热阻分析： 　　假设叶片的导热系数很大，导热热阻接近于零，可以认为整个叶片在同一瞬间均处于同一温度下。 　　燃气、冷气的换热热阻以及热障涂层的导热热阻分别为: 　　利用热阻分析法可以计算出叶片的表面温度： 　　为了更好地分析降低叶片表面温度的措施，将上式改写为： 　　对于燃气来说，需要抑制它的换热表面，对于冷气则需要强化其换热表面。 　　①阻隔热燃气：气膜冷却；发散冷却；热障涂层。②强化与冷却介质间的换热：冲击冷却；对流冷却（扰流柱、肋片强化换热） 　　采用不同型式的横肋及扰流柱来加强冷气流的扰动以提高换热系数。主要用于叶片的内部冷却，扰流柱主要用于叶片的尾缘部位。 　　用一股或多股冷气射流冲击热表面，在冲击驻点区形成强型的对流换热。这种冷却方式适用于重点冷却区域的局部热表面（如叶片前缘、火焰筒唇板等），采用冷气喷射孔阵或多排缝射流时可用于大面积的冲击冷却。 　　从热表面的孔排成缝隙中吹出冷气流并在热表面上形成一层冷气膜，用以阻隔热燃气对固壁的加热 ，主要用于火焰筒、加力燃烧室和涡轮叶片。 　　冷气从多孔壁的冷侧喷入燃气流过的热侧，在热侧壁面形成连续的冷气膜，把燃气同壁面隔开的冷却方式。 　　向热端部件引入冷却空气可以降低零部件表面的温度以满足材料持久强度和寿命的要求，同时能减少热端部件的温度梯度以降低热应力水平，这正是发动机热防护的目。但是向热端部件引起冷空气也会带来不利的影响，例如加大冷气用量不利于提高发动机推力，在引气的过程中会消耗部分压缩功，同时进入燃气主流道的低温冷气降低了主燃气的温度，减少了涡轮功的输出，冷却空气还可能因为速度的差异造成主燃气流的气动损失。这些不利影响削弱了涡轮进口燃气温度提高带来的优越性。 　　对于现代航空涡轮发动机的冷却空气用量，有下列估计公式： 　　该公式不是通用公式，是以具有耐温的材料为前提的。当燃气温度在量级，据该式估算，加上泄露的冷气流量，相对于核心机流量的冷气流量在之间。 　　用最少的冷却空气对热端部件提供有效的冷却，并将对主流燃气的影响降到最低，是发动机高温部件冷却设计的意义所在。 　　一个没有冷却措施的绝热壁面上，壁温能达到气流的恢复温度，即绝热壁温。设热端部件表面温度为，则部件被冷气冷却的程度可以表示为：。 　　如果用温度为的冷气对热端部件进行理想的充分冷却，那么冷却表面可能降到的最低温度将是，因此这时的绝对冷却效果是最大冷却效果，即：。 　　相对冷却效果用以说明冷却效果接近最大冷却效果的程度，通常表示为： 　　工程上为了简化，有时用气流的总温代替恢复温度。 　　相对温差是表征热端部件温度分布均匀程度的一个指标。其定义式为： 　　相对温差的范围在之间。 　　冷气利用率是度量冷却气流利用程度的指标。其定义式为： 　　表示冷却在热端部件冷却结构进口的温度；表示冷却在热端部件冷却结构出口的温度。 　　实际中，冷气利用率一般较低。这是因为在涡轮叶片的设计中，对高温部件工作温度的估算会有误差，的温差将带来叶片寿命一个数量级的变化，为了保证涡轮叶片可靠的工作，不得不采用“过冷却”的方法来弥补对温度估计的误差。 　　下面以CFM56发动机为例介绍它的冷却系统。 　　第一路冷气①由高低压压气机之间的中介机匣内壁的开孔通过导管引至低压压气机后轴承与高压压气机前轴承之间的腔内。该路冷气具有隔热和封油的作用。 　　第二路冷气②由高压压气机进口导流叶片根部沿圆周的开孔引至高压压气机前轴承后侧，对前轴承封油，并经高压压气机前轴颈上的引气孔进入高压压气机转子内腔，对高压压气机盘进行冷却，然后通过高压轴和高压涡轮盘根部间隙进入低压涡轮后腔冷却三、四级低压涡轮盘。 　　第三路冷气③一部分被导管引至高压涡轮机匣外环集气室，利用热膨胀的原理对高压涡轮叶片顶部与机匣之间的间隙进行主动间隙控制；另一部分被导管引至低压涡轮外环，进入第一级低压涡轮导向叶片内部对其进行冷却，部分冷气流汇入主燃气流，其余冷气进入低压涡轮前腔。对一、二低压涡轮盘进行冷却。 　　第四路冷气④是来自燃烧室的二股气流，一部分经预旋喷嘴进入由封严盘和第一级涡轮盘构成的旋转腔，形成对盘缘的冲击冷却，并由盘缘叶根处进入工作叶片内部对工作叶片进行冷却。还有一部分二股气流由高压第一级涡轮导向叶片上下端流入导向叶片内部对导向叶片进行冷却。 　　第五路冷气⑤经外涵由引气管引至低压涡轮机匣外，进行主动间隙控制。 　　燃气涡轮发动机的燃烧室有三种基本的结构形式，它们是管式燃烧室、管环式燃烧室和环式燃烧室。 　　下面介绍典型的单管燃烧室的结构和工作过程。 　　典型的单管燃烧室：单管燃烧室主要由壳体、火焰筒、联焰管、喷油嘴、旋流器和点火装置组成。 　　壳体和火焰筒头之间构成扩压通道，用来降低流速，提高压力，保证燃烧顺利进行和减少压力损失。火焰筒是一个在侧壁面上开有多排直径大小不同、形状各异的孔或缝的薄壁金属结构，保证燃烧充分，掺混均匀并使壁面得到冷却。联焰管起着传播火焰，点燃没有点火装置的火焰筒内的燃油，并平衡压力的作用。喷油嘴用来供油，使燃油雾化或气化，以提高火焰传播速度，利于稳定燃烧。旋流器，又称扰流器，使进气在叶片的引导下旋转，形成回流区，保证火焰稳定。点火装置产生高能电火花，点燃燃油和空气混合气。 　　分股进气 　　由压气机来的空气，分成两股进入燃烧室，其中第一股由燃烧室头部经过旋流器进人，这股空气占总进气量的25%左右。第二股由火焰筒侧壁上开的小孔及缝隙进入燃烧室，这股空气占总进气量的75%左右。 　　第一股：与燃油混合，组成余气系数稍小于1的混合气进行燃烧。 　　第二股：降低空气的流速，进行补充燃烧;并与燃气进行掺混，降低燃气温度，控制燃烧室出口处的温度分布，以满足涡轮对温度的要求，还能冷却火焰筒的外壁;同时这部分空气在火焰筒内壁形成一个气膜，使高温燃气与火焰筒的内壁分开而不直接接触内壁，以冷却保护火焰筒。 　　燃烧室是发动机中工作温度最高,寿命最短的部件。在火焰筒中燃烧温度可达2000℃以上，由于温升高而产生很大的热应力。火焰筒壁在高温燃气作用下,通过对流换热和热辐射进行传热，会发生变形、裂纹、皱曲、掉块、烧蚀,局部过热甚至掉块等故障。对于镍基合金材料的火焰筒,其允许工作温度约为850~900℃。为了降低筒壁温度和温度梯度，必须对筒壁采取有效的隔热和冷却措施。 　　燃烧室基本的隔热和冷却方式主要有隔热涂层、对流冷却、气膜冷却、冲击冷却、多斜孔冷却和发散冷却。 　　气膜冷却在火焰筒中的应用最为广泛，筒体上的进气孔和冷却气膜孔有不同的形式，其形状、大小、数量和分布，取决于组织燃烧的需用和涡轮前燃气温度的要求。最简单的气膜冷却结构是在火焰筒壁上钻一些小孔，由于小孔的直径较小，所以空气进入火焰筒的射流深度很浅。空气进入火焰筒后，紧贴火焰筒内表面迅速散开，形成气膜冷却的保护层。小孔气膜冷却的发展，即为缩腰小孔气膜冷却，它可增加气膜冷却的有效长度。 　　有的发动机的燃烧室采用了带表面陶瓷涂层的瓦片式结构，如V2500发动机。下方给出了其冷却结构示意图。瓦片靠螺栓固定在火焰筒壁上，火焰筒壁上开有进气孔，冷却空气进来后，即可在瓦片与筒壁之间的夹层流动，进行对流换热，又可在瓦片表面流过，形成气膜冷却，把燃气与瓦片表面隔开。为了增加瓦片表面的散热面积，其背面加工有很多细小的圆柱形凸起。采用这种冷却结构，可减少冷却空气量，使更多的空气参与燃烧，降低燃烧温度，从而可降低氮氧化物的排放。 　　但是冷却气进入燃烧室也会导致不均匀的温度场，使得燃烧室出口燃气温度分布中间高，两端低，这样的温度分布会使涡轮叶片产生额外的热应力。冷却气还可能导致燃气的燃烧不充分，产生有毒有害气体。[1]航空发动机传热学.曹玉璋[2]民航发动机构造与系统.李书明[3]民用航空燃气涡轮发动机原理.瞿红春[4]航空燃气涡轮发动机原理与构造.邓明[5]热障涂层材料与技术的研究进展.撒世勇[6]航空发动机传热学课程PPT本文使用 Zhihu On VSCode 创作并发布

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