方文推进系统前沿技术讲座1.docx

推进系统前沿技术讲座大作业燃气涡轮发动机燃烧室先进冷却方式 学生姓名 ：方文2016年4月26日燃气涡轮发动机燃烧室先进冷却方式一，研究背景燃气涡轮发动机机在航空、航海、电力、石化、冶金等军事及民用领域有着广泛的应用，它具有效率高、重量轻、结构紧凑、调节快速及污染小等一系列优点。1939 年，瑞士 BBC 公司（现 ABB 公司）研制成功世界上第一台电站燃气轮机，自此后短短半个世纪，燃气轮机技术迅猛发展，五十年代在航空领域取代活塞发动机取得统治地位，六十年代通过航空发动机改进的燃气轮机广泛应用与军用舰船，七八十年代各军事强国坦克、装甲车及民用大型客货轮也开始采用燃机作为动力，进入九十年代随着计算流体力学、空气动力学、计算机技术及新的材料技术的发展，燃气轮机的设计走向全三维无粘气动计算、可控扩散叶形、定向单晶和无余量精铸，并开始广泛采用多种冷却技术[1]。新世纪燃气轮机技术将继续在航空领域占据统治地位并越来越多的走向民用，燃气轮机被誉为继蒸汽机和内燃机之后最具市场应用潜力的第三代动力机械。在航空领域，虽然美国国家航空航天局（NASA）于 1999 年初宣布取消先进燃机系统计划（AST），但随即开始了为期五年的发动机技术创新计划—超高效发动机技术计划（UEET）,计划目标是研制新一代发动机技术的技术指标与 GE90 这样的发动机相比油耗降低 10%，噪声降低 10DB，NOx排放量降低 20%，使用费用降低 50%，并将其通用技术广泛应用于战斗机和民航发动机、舰用和工业用燃气轮机[2]，显然这是一个为期更短，应用范围更广的发展燃机技术的计划。另外美国二十年前在国家层面上开始实施的涡轮发动机技术发展计划——综合高性能涡轮发动机技术IHPTET计划,目标是到 2005 年使航空推进系统的能力翻一番,即推重比或功率重量比增加100%～120%,耗油率下降 15%～30%，据悉该计划已经顺利结束，并获得了很大成功，而其后续计划——多用途、经济可承受的先进涡轮发动机VAATE计划也已经启动。同时,世界其他国家也在积极发展燃机工业，美国和欧洲合作的先进燃气轮机合作计划CAGT ，英国开展的“先进核心军用发动机”ACME计划，欧盟的 EC-ATS计划，日本的“新日光”计划和“煤气化联合循环动力系统”等[3]。从各国在燃气涡轮发展上制定的计划和其投入的力量看，未来军事发展中燃机工业的竞争将更加激烈。在民用方面，由于常规蒸汽轮机的朗肯循环参数的提高受到限制，并且需要体积巨大的锅炉，使得传统的锅炉加蒸汽轮机电站的发电效率与可控性受到限制，且其对温室气体的捕捉及脱硫等技术较为落后；随着世界范围内能源危机、能源高效利用的渴求以及对 CO2等温室气体减排的要求，传统的简单焚烧化石燃料的能源供给状况必将发生根本性的改变。燃气轮机利用燃料燃烧产生的燃气直接做功，可直接通过提高燃气初温来提高热效率，天然气燃烧或煤炭油渣气化后燃烧的污染物和 CO2排放远小于直接焚化，因此高效率大型燃气电厂将是未来取代传统煤电的可行方式，而高效的燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电技术被世界各国公认为未来经济可持续发展的新动力。整体式煤气化联合循环发电（IGCC）技术是当前世界上公认的高效洁净煤气化燃气-蒸汽联合循环发电技术之一，目前 IGCC 系统的供电效率可达 45%-50%，比传统亚临界燃煤电站效率高出 10%，污染物和温室气体排放量也大幅降低，由此创造的经济和环保价值是相当可观的[4,5]。 我国燃气轮机产业起步相对较晚，与世界先进水平还有着较大的差距，欧美等燃机技术强国严防关键技术流入我国，在二十世纪九十年代之前主要依靠仿制前苏联及乌克兰的燃机技术，没有自主研发的型号，航空发动机等关键部件全部依赖进口。进入二十一世纪，通过广大科研工作者的不懈努力，我国在燃机技术领域取得了关键性的进展，自主研制的“太行”、“昆仑”航空发动机已经量产并装备部队；进口乌克兰舰用 GT25000 燃气轮机的全国产仿制型作为海军新一代主力战舰的动力核心在亚丁湾护航任务中表现出色。我们知道燃气轮机主要有压气机、燃烧室和涡轮组成，燃烧室是航空发动机核心部件之一。军用航空发动机燃烧室的发展趋势，是高温升；民用航空发动机燃烧室的发展趋势，是更低的污染排放[6]。这二者都需要大幅度提高用于参加燃烧的空气分配比例。因此，减少冷却空气的分配比例，是一个必然的趋势。而为了提高发动机的循环效率，压气机的增压比，也必然大幅提高，从而导致用于燃烧室冷却空气的品质下降#对于未来高温升甚至超高温升的燃烧室，所面临的关键技术挑战之一，就是在冷却气量分配减少和冷却品质下降的条件下，进一步保持甚至提高火焰筒的耐久性。现代航空发动机性能的飞速提升客观地要求主燃烧室在很高的进口压力和温度下长期工作，燃烧室温升和热负荷逐渐地提高，可用于火