热防护总复习[1].doc

1. 涡轮前燃气温度提高的原因；在实际发动机中要提高其推力和热效率必须提高涡轮前温度T3。这是提高航空燃气涡轮发动机性能的主要技术措施。2. 应对高温燃气挑战的主要技术措施；采用耐高温材料进行隔热 新材料：单晶叶片；镍基、陶瓷材料新工艺：隔热涂层材料 使用冷却介质进行有效的冷却采用压气机出口或中间级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3. 评价热端部件冷却的技术指标； 相对冷却效果 =(Tgr-Tw)/(Tgr-Tc) 相对温差 w,max=(Tw,max-Tw,min)/(Tgr-Tc)冷气利用率 ce= =(Tc2-Tc1)/(Tw-Tc1)4. 空气系统的主要任务； 供给热端部件冷却介质（涡轮叶片和端壁、涡轮盘及燃烧室火焰筒）；采取封严措施，建立发动机内部盘轴系统的腔室压力，阻止燃气进入；调整流路结构，使轴向载荷满足设计要求；控制压气机盘和轴的温度状态；为轴承腔提供适当的压力和温度的封严空气；提供防冰系统加热空气；必要时，安排适当的流路系统控制涡轮和压气机机匣与外环温度响应，控制叶顶径向间隙。5 热端部件冷却的结构形式； 第一级涡轮工作叶片的冷却结构：采用双回路、对流-冲击-气膜冷却的方案，每一回路为三回折，以便提高冷气利用率。6. 试证明增加涡轮叶片外换热热阻和减小内换热热阻均会降低叶片的外表面温度（证明中暂忽略热辐射）。7. 航空发动机中使用冷却空气带来的益处与不利有哪些？好处：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； 减少热端部件的温度梯度以降低热应力水平不利：消耗压缩功； 进入燃气主流道的低温冷气降低了主燃气的温度，减少涡轮功的输出； 因动能与方向的差异造成主燃气流的气动损失。 减弱了涡轮进口燃气温度（T3*）提高带来的优越性8. 航空发动机涡轮材料的发展历程。 锻造合金、传统的铸造合金、定向凝固合金、单晶合金、热障涂层（按顺序发展）9. 什么是热障涂层，热障涂层组成、制造工艺； 热障涂层(Thermal Barrier Coating, TBC) ：通过对基体表面进行处理，在受热表面喷涂绝热材料（一般是陶瓷材料），从而达到热防护目的 组成：陶瓷层、氧化层、粘接层、基底 制造工艺：等离子喷涂；电子束物理气相沉积；等离子体增强化学气相沉积10. 涡轮叶片外换热系数沿叶片外表面的分布特点； 前缘的驻点处的换热系数最高，达104W/m2K；压力面和吸力面换热系数均下降，直至转淚点；转淚点后由于湍流效应，换热系数又开始增加；在吸力面由于发生分离而使换热系数有所下降11. 换热系数无量纲准则形式及意义； 12. 涡轮导向叶片沿叶片径向对流换热系数的分布规律及原因？第4章 发散冷却 13. 什么是发散冷却？当高温气体流过多孔材料构成的壁面一侧（简称热侧），而冷气由多孔壁面另一侧（简称冷侧）喷入热侧时，在热侧的避免上形成一层连续的冷气膜，把热气与多孔壁隔开，以达到保护壁面的作用。同时，由于冷气通过多孔壁时对壁内进行强迫对流换热，致使这种热防护更加有效。这种冷却成为发散冷却。 14. 从发散冷却机理上看，层流和湍流哪种流态下发散冷却更有效？层流时比湍流时冷却的效果好。在同样的冷气喷出密流下，层流时由于冷气喷出引起的换热系数下降比湍流时更明显。（怎么理解？）第5章 气膜冷却 15. 什么是气膜冷却； 从热表面的孔排或缝隙中吹出冷气流并在热表面上形成一层冷气保护膜，用以阻隔热燃气对固壁的加热。16. 气膜冷却的主要评价指标；1. Taw 有气膜冷却情况下的绝热壁温2. 气膜冷却效率t 3. 气膜冷却对流换热系数hf (或Nu=hf x /) 17. 影响气膜冷却效果的影响因素有哪些？ 1、气膜孔结构（a.入射角 b. 角（在宽度方向的夹角）c. 出口的扩张 d.圆孔孔径，或其孔型 e.冷气通道结构）2. 气膜孔位置（a.一般气膜孔应该开设在叶片最热位置处 b.考虑到气动损失，气膜孔位置选在叶片高温的前缘区和叶盆区等低速位置（马赫数较小） c.一般不在叶背的除前缘区以外的其他高速区开设气膜孔）3. 气膜孔排布（a. 单排孔时，需要考虑孔距 x/d b.多排孔时需要考虑相邻孔排之间的距离和排列形式 （顺排或叉排）4. 表面状况（a.表面曲率 ：凸表面，气膜冷却效果增加，凹表面，气膜冷却效果下降 ；b.表面粗糙度 ：粗糙度在低喷气比时最多可以将气膜的有效度降低20%，而在高喷气比情况下可将有效度提高50%；较小的粗糙元比较大的粗糙元能更多的降低气膜有效度）5. 冷气、主流性质和气动参数（a.主流湍流度和非定常流动特征 b.冷气与主流的吹风比 c.冷气与主流的温比 18. 气膜对壁面和燃气对流换热的双重影响？（1）冷气膜能量方面的影响：由于冷气膜的存在，降低了燃气与壁面之间的对流换热驱动温差，即由于冷气膜温度Tc低于主燃气温度Tg，两者掺混的结果使热侧气流温度下降，降为有气膜存在时的混气恢复温度。 （2）冷气膜动量方面的影响：由于气膜射流的贴壁喷射，增加了热侧气流的扰动。换热系数与冷气密流（cuc）有密切联系，这种联系在喷射孔附近最为显著，当距气膜孔足够远之后，这种影响将减弱，甚至消失。 19. 说明绝热壁温Taw的定义、作用，以及与壁温Tw的区别是什么？Taw 有气膜冷却情况下的绝热壁温，它是表征气膜冷却效果的一个指标，它表明主气流与壁面进行对流换热情况下当没有任何其它冷却措施而只有气膜冷却时，壁面所达到的实际温度。在实际情况下，冷侧壁面通常是不绝热的，而是还可能有对流冷却，这是热侧壁面的实际壁温Tw低于、等于或者高于绝热壁温Taw第6章 冲击冷却 20. 什么是冲击冷却？冲击冷却：用一股或多股冷气射流冲击热表面，在冲击区域形成强烈的对流换热（强化对流换热） 21. 在航空燃气涡轮发动机中，哪些部位采用冲击冷却？ 用于重点部位的冷却，如叶片前缘、火焰筒唇板等22.请画出垂直冲击平面靶的流动示意图？并对冲击流动的四个区域流动特点作简要说明？ 、：始段基区（自由射流区）只有U，没有V (速度分布相当于射流)：转折区（驻点区）壁面射流区：只有V，没有U边界层外为射流处理，边界层内为粘性边界层处理书P127有详细讲解23. 为什么冲击冷却换热系数高于一般对流换热的换热系数？ 边界层薄 达到速度大 湍流度大 裹胁了大量的冷气24. 为什么有最佳冲击距？ 当靶面冲击距大于4以后，虽然射流到达速度会由于 zn/B 的增加而衰减，但是由于射流与周围介质的充分掺混却使紊流度增加，两种因素总的结果会有一个最佳相对冲击距（zn/B），在这个冲击距下，驻点区换热系数最高。第7章 燃烧室传热 25. 燃烧室火焰筒壁面的受热和冷却方式有哪些？ 受热会发生变形，裂纹，皱曲，局部过热甚至掉块等故障。基本的隔热和冷却方式是隔热图层，对流冷却，气膜冷却，冲击冷却和发散冷却。26. 如何确定火焰筒壁面平衡温度？把火焰筒壁沿轴向划分成若干个圆环单元后，对各单元进行热平衡计算，这种为迭代计算。 第8章 涡轮换热(1)-涡轮叶片的内部冷却 27. 涡轮叶片的内部冷却为什么经常采用多冷却腔的设计方式？采用多腔设计，可以通过合理分配冷气在叶片各部分的流量，明显地改善冷却效果，可以实现在不同区域根据不同的需要实施不同的冷气量，易于调节控制叶片总体温度水平，同时可以增加冷气与叶片的换热，打到降低叶片温度的目标。28. 横肋几何结构如何影响换热效果？P19029. 径向内流和径向外流时哥氏力的影响径向外流增加沿后缘面的摩擦损失，同时也将强化该面的对流换热能力。而前缘面则流动摩擦损失和对流换热能力都将有所降低。径向内流增加沿前缘面的摩擦损失及对其对流传热能及，同时后缘面的对流摩擦损失和对流换热能力都有所减弱。30. 离心力场衍生的浮升力的作用特点？对径向外流通道，离心力衍生的浮升力减弱了对流换热强度。对径向内流通道，离心力衍生的浮升力增加了对流换热强度。31. 叶片叶尖尾缘冷气不足的原因？周向速度分量产生的哥氏力是指向旋转轴的，而且随着冷气越接近出口，楔形渐缩流道使气体加速越快，同时叶片尾缘后掠角度越大，哥氏力也越强。这会使叶片顶部冷气不足。由于一腔设计中沿叶高方向冷气在逐步从尾部出口流出，冷气量逐步减少，再加上哥氏力的作用，势必导致叶片顶部冷气会严重不足，最后导致叶片顶部超温。第8章 涡轮换热(2)-涡轮盘腔中的流动与换热 28. 在分析涡轮盘冷却时，转静系、旋转系分别是指什么？转静系：只有部分边界是运动的，其余边界是静止的 旋转系：整个系统以一定的角速度旋转 29. 在转静系的冷却结构中，采用高位进气冷却方式有哪些优点？ 高位进气指冷空气经由布置在静止盘外缘的喷嘴，离散孔或环缝进入腔体，对涡轮盘进行冷却，由于热量从转盘的边缘导入，高位进气可有效地组织热流向盘心的传递，这样既可以降低全盘的最高温度，又可以降低盘心区的温度梯度。32. Batchelor流型和Stewartson流型的主要区别？ 主要区别在于两盘间是否存在旋转核心。33. 预旋喷嘴的原理和作用？ 采用预旋喷嘴，可以降低冷空气对于转盘的总温，有助于加强涡轮盘及涡轮叶片的换热，同时可以降低冷空气对涡轮盘造成的阻力。34. 燃气入侵的原因和相应的密封结构有哪些？ 转静系统中，当两盘间间隙较大的旋转雷诺数很高时，在转子和静子壁面上会分别形成独立的边界层，在两个边界层中间有旋转核心，这就是前面提到的Batchelor型流动。没有外部供气时，转盘附近的流体沿转盘径向