环形热管在涡轮叶片上的应用

Christopher

      随着航空发动机推重比的提高，对压气机效率和涡轮前温度的指标也不断提高，涡轮叶片目前所广泛使用的气冷方式不仅耗费大量压缩空气（约占总流量的20%~25%），降低压气机效率，而且冷却效率已接近极限，很难再有大的突破。
     在目前人类已知的传热冷却方式中，热管无疑是性能最好的一种，从热传递的三种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。
      不过由于涡轮高速旋转，叶片承受巨大的离心力，在这种离心力作用下，传统热管无法适应，因此可采用前段粗后段较细的环管（如上图），叶片前端最先接触燃气来流，温度最高，冷却液蒸发，在离心力的作用下，下方较冷的冷却液推动上方较热的冷却液蒸汽顺时针循环，环管后段由于温差小于前段，且内径小于前段，因此离心力较小，冷却液强制回流，热量通过冷却液蒸汽带到下方较长的冷却管凝结成液体，冷却空气从发动机前段进气锥开口引入，通过发动机主轴内通道，在发动机后锥燃气抽吸的作用下，不断流经冷却管带走热量，为达到更好的冷却效果，可以采用多路循环（如下图），这样有可能大大降低涡轮叶片的温度，提高涡轮前温度，环形热管体积小重量较轻，冷却效果好，可以提高涡轮效率，节约压缩空气，如果结构能简化，应该是一个发展方向。



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