超级军网一种涡轮叶片冷却的新方法的设想
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/05/02 07:51:32
涡轮在高空工作，自身被上千度的高温气体包围；而飞行时外面的大气环境却是零下４、５０度的低温。冰火两重天的差别往往因为必要的金属外壳和喷管封严而无法加以调和。如果能把两者联通起来，把涡轮表面的热量以某种形式传递到外面的清凉世界，那么涡轮温度过高的问题便解决了。关于冷却，大家通常考虑到的是利用空气这种热传递的媒介质，比如普遍的叶片内气体对流方法。但是空气的热容（比热）很小，涡轮叶片内的冷却空气流量也小，所以这种方法效果很有限。
其实还有一种媒介质，就是电。用电流来传递能量的效率是所有形式中最高的。如果能借助里面热的金属涡轮叶片和外面冷的飞行器金属蒙皮间的温差，使用热电偶原理将热能转变为电能输送出去，不但可以有效降低叶片表面的温度，取消原来复杂的冷却气体的管路，还能为飞行器提供额外的电力（当然必须消耗掉冷却才有效）， 一举多得。最重要的是冷却效率可能会高得多。叶片本身就可以由一种热端金属制成或者在普通金属叶片内部填塞热端半导体材料。而此热电偶的连接也不要求和高速旋转的涡轮轴刚性接触，可以用电刷代替。（更多说明在22楼）
简而言之，就是通过热电转换，用电的流动代替冷却空气的流动，将能量从涡轮叶片上带出来，从而实现更高效率的冷却。
温差发电的专业人士看看如何。
涡轮在高空工作，自身被上千度的高温气体包围；而飞行时外面的大气环境却是零下４、５０度的低温。冰火两重天的差别往往因为必要的金属外壳和喷管封严而无法加以调和。如果能把两者联通起来，把涡轮表面的热量以某种形式传递到外面的清凉世界，那么涡轮温度过高的问题便解决了。关于冷却，大家通常考虑到的是利用空气这种热传递的媒介质，比如普遍的叶片内气体对流方法。但是空气的热容（比热）很小，涡轮叶片内的冷却空气流量也小，所以这种方法效果很有限。
其实还有一种媒介质，就是电。用电流来传递能量的效率是所有形式中最高的。如果能借助里面热的金属涡轮叶片和外面冷的飞行器金属蒙皮间的温差，使用热电偶原理将热能转变为电能输送出去，不但可以有效降低叶片表面的温度，取消原来复杂的冷却气体的管路，还能为飞行器提供额外的电力（当然必须消耗掉冷却才有效）， 一举多得。最重要的是冷却效率可能会高得多。叶片本身就可以由一种热端金属制成或者在普通金属叶片内部填塞热端半导体材料。而此热电偶的连接也不要求和高速旋转的涡轮轴刚性接触，可以用电刷代替。（更多说明在22楼）
简而言之，就是通过热电转换，用电的流动代替冷却空气的流动，将能量从涡轮叶片上带出来，从而实现更高效率的冷却。
温差发电的专业人士看看如何。
最大的难点恐怕是热端和冷端金属材料的选择, 还有绝缘考虑。
温差发电最大的特点就是温度差越大，电动势越大，发电效率也越高，而在涡轮叶片的降温应用上这个优点达到了最大值。一般实验室也难以做到的1500度以上的温差，效率恐怕能达到20~30%以上。
最大的难点恐怕是热端和冷端金属材料的选择, 还有绝缘考虑。
温差发电最大的特点就是温度差越大，电动势越大，发电效率也越高，而在涡轮叶片的降温应用上这个优点达到了最大值。一般实验室也难以做到的1500度以上的温差，效率恐怕能达到20~30%以上。
别说飞机的喷气涡轮机了，连地上的柴油发动机还要靠水或空气来冷却，也没见有什么温差发电
这温差发电的技术只听其说，没见其影。还听说温差发电的效率极低，根本没有经济和实用价值
这温差发电的技术只听其说，没见其影。还听说温差发电的效率极低，根本没有经济和实用价值
呵呵，温差发电，还嫌自己的叶片不够重啊？
目前还不现实，刚重点研究不久
高温热电偶一般都是用铂、钯等贵金属制作…
温差发电。。。。。。
目前最好的方法是，用热去烧水，水开了用蒸汽去推动蒸汽轮机
蒸汽轮机带动发电机，发电机发出电。====这就是热电转换。
热就是这么变成电的吧。
热传导（原子震动的传导）
热电转换（原子震动变成电子定向运动）
您觉得上面两个哪个更容易，更高效？
目前最好的方法是，用热去烧水，水开了用蒸汽去推动蒸汽轮机
蒸汽轮机带动发电机，发电机发出电。====这就是热电转换。
热就是这么变成电的吧。
热传导（原子震动的传导）
热电转换（原子震动变成电子定向运动）
您觉得上面两个哪个更容易，更高效？
人跟天斗 发表于 2010-9-4 07:47 
航天上的同位素电池，有一种就是利用同位素产生的热作热源，靠温差来发电的。
航天上的同位素电池，有一种就是利用同位素产生的热作热源，靠温差来发电的。
鼓励一下有创新意识的人！
虽然我不懂，但是也许可以。
人跟天斗 发表于 2010-9-4 07:47
温差发电主要靠热电偶，而热电偶的问题是效率低、重量大(对航空发动机而言)，自身也需要散热，所以不可能用于航空发动机。
温差发电主要靠热电偶，而热电偶的问题是效率低、重量大(对航空发动机而言)，自身也需要散热，所以不可能用于航空发动机。
SailinArmy 发表于 2010-9-4 08:41
和热能相比，电是目前已知的最高等的能量形式。很细的高压电线可以传递数十万千瓦的功率，而发电厂里锅炉里出来的高压过热蒸汽（也是传递能量的介质）管道与之相比粗得多；何况普通空气的热容又比过热蒸汽低上万倍不止，你说呢？
和热能相比，电是目前已知的最高等的能量形式。很细的高压电线可以传递数十万千瓦的功率，而发电厂里锅炉里出来的高压过热蒸汽（也是传递能量的介质）管道与之相比粗得多；何况普通空气的热容又比过热蒸汽低上万倍不止，你说呢？
温差发电主要靠热电偶，而热电偶的问题是效率低、重量大(对航空发动机而言)，自身也需要散热，所以不可能 ...
shutgun 发表于 2010-9-4 21:51
你好像没仔细看帖子。温差发电并不是目的，目的在于消耗能量降低温度。发出的电只是副产品。涡轮叶片本身就是金属，直接作为热电偶的一端，并不存在附加重量， 冷端在飞行器外表面，比如金属蒙皮。20~30%的效率还低吗？
温差发电主要靠热电偶，而热电偶的问题是效率低、重量大(对航空发动机而言)，自身也需要散热，所以不可能 ...
shutgun 发表于 2010-9-4 21:51
你好像没仔细看帖子。温差发电并不是目的，目的在于消耗能量降低温度。发出的电只是副产品。涡轮叶片本身就是金属，直接作为热电偶的一端，并不存在附加重量， 冷端在飞行器外表面，比如金属蒙皮。20~30%的效率还低吗？
涡轮叶片不是中空的麽？若涡轮叶片中空的话灌水银进去散热怎么样？
Bearcat 发表于 2010-9-5 00:14
你知道温差电偶产生的电压一般是多少吗？自己反推一下如果不采取复杂的级联电路的话，能有多少的热量传导出去。
你知道温差电偶产生的电压一般是多少吗？自己反推一下如果不采取复杂的级联电路的话，能有多少的热量传导出去。
chengzhibo 发表于 2010-9-5 01:27
你准备让水银形成怎么样的回路呢？就先不考虑水银对金属的腐蚀作用了。
你准备让水银形成怎么样的回路呢？就先不考虑水银对金属的腐蚀作用了。
costrave 发表于 2010-9-5 08:00
我不是专家。对于金属热端，确实产生电压很低(1~70µV/°C). 但是如果使用某种特殊的半导体，效果就很可观了。只要留意同位素电池的例子，就可以肯定温差发电作电源的可行性是没问题的。
我不是专家。对于金属热端，确实产生电压很低(1~70µV/°C). 但是如果使用某种特殊的半导体，效果就很可观了。只要留意同位素电池的例子，就可以肯定温差发电作电源的可行性是没问题的。
Bearcat 发表于 2010-9-5 00:08
电能传输又不是热电能量转换。。。。。。
电能传输又不是热电能量转换。。。。。。
Bearcat 发表于 2010-9-5 08:45
你先满足耐热1500K以上再考虑什么散热
你先满足耐热1500K以上再考虑什么散热
LZ的思路，挺好的，给人焕然一新的感觉，比其他“未来设计师”以及某些发功的江湖大师，强多了
温差发电的概念很广，只要利用了温度差产生电能都能算。
其实目前标准的温差发电机仅仅是两种材料之间的温差发电，
原理就是将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。
简单的说就是2种不同材料(半导体或金属)连接时，如果两边温度不同导体中就产生电流(是没有机械运动的，与热胀冷缩无关)。这种方法产生的电动势比较小，是最基本的温差发电。
我个人觉得，此思路有个瓶颈就是：涡轮盘的高温如何与外部的低温蒙皮实现连接，当然F404用软金属刷与外匣摩擦封闭，也许这可以是个途径，但我个人的理解是，这个和材料的选择有很大关系，热电偶端好的金属材料，不太适合做涡轮盘，即做出来这种发电雏形，那么温度会降低，但降低到多少？会影响发电效率吗？我准备用ansys帮LZ模拟一下，估计我够呛。。。
温差发电的概念很广，只要利用了温度差产生电能都能算。
其实目前标准的温差发电机仅仅是两种材料之间的温差发电，
原理就是将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。
简单的说就是2种不同材料(半导体或金属)连接时，如果两边温度不同导体中就产生电流(是没有机械运动的，与热胀冷缩无关)。这种方法产生的电动势比较小，是最基本的温差发电。
我个人觉得，此思路有个瓶颈就是：涡轮盘的高温如何与外部的低温蒙皮实现连接，当然F404用软金属刷与外匣摩擦封闭，也许这可以是个途径，但我个人的理解是，这个和材料的选择有很大关系，热电偶端好的金属材料，不太适合做涡轮盘，即做出来这种发电雏形，那么温度会降低，但降低到多少？会影响发电效率吗？我准备用ansys帮LZ模拟一下，估计我够呛。。。
如果增加的重量不多还是可以想想的。
谢谢各位捧场。
查了一下，使用金属端的热电偶确实效率很低，但是热电效应同位素电池中使用半导体的热度偶，最高发电效率达到了5%，具体材料是硅锗 或 碲化铋，在电子器件里用得很多。硅的高熔点是众所周知的，所以做成填充物塞在金属涡轮叶片内部的话可行性很强，可以从外到内吸收大量热流从而降低温度，重量方面更是不必过虑。
谢谢各位捧场。
查了一下，使用金属端的热电偶确实效率很低，但是热电效应同位素电池中使用半导体的热度偶，最高发电效率达到了5%，具体材料是硅锗 或 碲化铋，在电子器件里用得很多。硅的高熔点是众所周知的，所以做成填充物塞在金属涡轮叶片内部的话可行性很强，可以从外到内吸收大量热流从而降低温度，重量方面更是不必过虑。
没有工科知识谈论复杂点的发明创造就是杯具。
叶片尽可能地轻坚固耐热，这几点都难以兼顾了，还要考虑发电什么的，不是杯具？
马甲2 发表于 2010-9-9 16:43
我个人的理解是，LZ想通过热电转换，把涡轮盘上的能量带到外面，间接降低温度吧
我个人的理解是，LZ想通过热电转换，把涡轮盘上的能量带到外面，间接降低温度吧
楼主你太有才了，如果成功的话，飞机上的发电机就可以省了。。
如果有多余的电量，还可以来个等离子隐身什么的。。
如果有多余的电量，还可以来个等离子隐身什么的。。
回复 23# 马甲2
re
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别尽在那没用的上下功夫，先把材料搞好再说
金属热电偶导热性能较好，但是温差电势很低，产生的电流小而不足以携带多少能量。
当然你也许会问“导热好不就够了么？” 那还不如用热管直接导热呢，是金属的上千倍。
半导体温差电势较高，但半导体热电偶都很小很薄，
假入如你所说的塞到空心涡轮叶片内部，则整个半导体都达到涡轮温度，何来温差？
你如何在一个小小的半导体热电偶两端维持 涡轮盘—平流层大气 之间的温差？
用热管连接冷端和大气？那还不如直接热管散热算了，加一片半导体热电偶在中间岂不是蛋疼。
总之，热电偶需要冷端，从热端到冷端传递的热量必须及时散发出去，
随后问题就从如何冷却涡轮叶片变成如何冷却热电偶的冷端，没有任何改进。
以上还是没有考虑半导体在上千度的高温下直接就变成导体而丧失各种半导体特性的致命缺陷。
当然你也许会问“导热好不就够了么？” 那还不如用热管直接导热呢，是金属的上千倍。
半导体温差电势较高，但半导体热电偶都很小很薄，
假入如你所说的塞到空心涡轮叶片内部，则整个半导体都达到涡轮温度，何来温差？
你如何在一个小小的半导体热电偶两端维持 涡轮盘—平流层大气 之间的温差？
用热管连接冷端和大气？那还不如直接热管散热算了，加一片半导体热电偶在中间岂不是蛋疼。
总之，热电偶需要冷端，从热端到冷端传递的热量必须及时散发出去，
随后问题就从如何冷却涡轮叶片变成如何冷却热电偶的冷端，没有任何改进。
以上还是没有考虑半导体在上千度的高温下直接就变成导体而丧失各种半导体特性的致命缺陷。
我想起以前有个喜欢军事的小妮子在baidu上面跟我充大头，
声称高温气冷堆可以不利用热机做功而直接用温差发电推动舰艇，从而省却复杂的外围设备，因此能上潜艇。
她也以为热电偶可以塞到高温热源边上，在无冷却的条件下直接把内能变成电能呢。
忽略热电偶冷端散热问题的空想家们，犯了单一热源做功的“第二类永动机”错误。
声称高温气冷堆可以不利用热机做功而直接用温差发电推动舰艇，从而省却复杂的外围设备，因此能上潜艇。
她也以为热电偶可以塞到高温热源边上，在无冷却的条件下直接把内能变成电能呢。
忽略热电偶冷端散热问题的空想家们，犯了单一热源做功的“第二类永动机”错误。
paini 发表于 2010-9-20 16:38
热端和冷端不是用导线连接的么？你对热电偶的理解有问题吧？
工程上说涡轮工作温度多少多少，数据是怎样出来的呢？就是用小型热电偶测量的, 早已不是新鲜事。热电偶工作本身并无问题。
热端和冷端不是用导线连接的么？你对热电偶的理解有问题吧？
工程上说涡轮工作温度多少多少，数据是怎样出来的呢？就是用小型热电偶测量的, 早已不是新鲜事。热电偶工作本身并无问题。
热端和冷端不是用导线连接的么？你对热电偶的理解有问题吧？
工程上说涡轮工作温度多少多少，数据是 ...
Bearcat 发表于 2010-9-20 23:04
当然不是，热端和冷端是被一对热电偶材料连接起来的，导线那是用来引出去测电压……和两股导线C连接的接触点就是冷端，AC、BC两个异种材料接触点要保持同温度；AB接触点是热端（当然测量良导电材料X温度时可以A、B分别接触相同温度的被测对象X，而不需A、B直接接触）。
你连热电偶测温电路的基本结构都没搞清楚，难怪会异想天开搞什么温差发电散热呢！
“没有工科知识谈论复杂点的发明创造就是杯具。”这话说得太对了……
至于涡前温度，使用的是固定探头在涡前气流中监测，固定的当然布置起来方便；高速旋转的涡轮叶片本身的温度很难用接触式测量获得，目前普遍使用的是非接触式探测：辐射式光纤高温计。另一方面，即使是固定探头装热电偶，探测一千多度高温也必须使用耐高温合金的金属热电偶（钨铼合金），而半导体热电偶在这种条件下早已失效。金属热电偶本身就能做成细长丝状，把冷热两端拉开（甚至还能使用性质相近的补偿导线进一步延长距离），半导体热电偶则不要做梦了。
金属热电偶那微弱的电压，用来测量足够，用来散热——恐怕还不如金属丝直接热传导散出去的热量多呢。
热端和冷端不是用导线连接的么？你对热电偶的理解有问题吧？
工程上说涡轮工作温度多少多少，数据是 ...
Bearcat 发表于 2010-9-20 23:04
当然不是，热端和冷端是被一对热电偶材料连接起来的，导线那是用来引出去测电压……和两股导线C连接的接触点就是冷端，AC、BC两个异种材料接触点要保持同温度；AB接触点是热端（当然测量良导电材料X温度时可以A、B分别接触相同温度的被测对象X，而不需A、B直接接触）。
你连热电偶测温电路的基本结构都没搞清楚，难怪会异想天开搞什么温差发电散热呢！
“没有工科知识谈论复杂点的发明创造就是杯具。”这话说得太对了……
至于涡前温度，使用的是固定探头在涡前气流中监测，固定的当然布置起来方便；高速旋转的涡轮叶片本身的温度很难用接触式测量获得，目前普遍使用的是非接触式探测：辐射式光纤高温计。另一方面，即使是固定探头装热电偶，探测一千多度高温也必须使用耐高温合金的金属热电偶（钨铼合金），而半导体热电偶在这种条件下早已失效。金属热电偶本身就能做成细长丝状，把冷热两端拉开（甚至还能使用性质相近的补偿导线进一步延长距离），半导体热电偶则不要做梦了。
金属热电偶那微弱的电压，用来测量足够，用来散热——恐怕还不如金属丝直接热传导散出去的热量多呢。
比直接导热慢，主动通电半导体降温还差不多。
其实降低温度没有意义，涡轮温度降低了，涡轮上气体温度也就降低了，气体含有的能量也就降低了，那不如一开始就设计低温燃烧室。
其实降低温度没有意义，涡轮温度降低了，涡轮上气体温度也就降低了，气体含有的能量也就降低了，那不如一开始就设计低温燃烧室。
比直接导热慢，主动通电半导体降温还差不多。
其实降低温度没有意义，涡轮温度降低了，涡轮上气体温度也就 ...
百臂巨人 发表于 2010-9-21 01:43
涡轮温度不等于通过涡轮的气体温度, 降温措施能始终使两者保持一定温差。降低叶片温度有利于提高结构强度和延长其寿命，或者在叶片温度不变的前提下使其能承受更高的燃气温度，也就是提高了推力，意义重大。
比直接导热慢，主动通电半导体降温还差不多。
其实降低温度没有意义，涡轮温度降低了，涡轮上气体温度也就 ...
百臂巨人 发表于 2010-9-21 01:43
涡轮温度不等于通过涡轮的气体温度, 降温措施能始终使两者保持一定温差。降低叶片温度有利于提高结构强度和延长其寿命，或者在叶片温度不变的前提下使其能承受更高的燃气温度，也就是提高了推力，意义重大。
我算看明白了：
LZ以为热电偶就是热端放一块材料M，冷端放一块材料N，中间用导线C联起来……
建议以后搞“发明创造”之前，先把基本概念查查清楚，做足准备功课再拟草案。
有热情，很好，但是别变成盲目的热情，那就会沦落为“民科”。
LZ以为热电偶就是热端放一块材料M，冷端放一块材料N，中间用导线C联起来……
建议以后搞“发明创造”之前，先把基本概念查查清楚，做足准备功课再拟草案。
有热情，很好，但是别变成盲目的热情，那就会沦落为“民科”。
材料要求太逆天了
想法对头，效率太低不适合发动机。
paini 发表于 2010-9-21 04:57
有想法应该鼓励，不对头就需要科普，不能打击积极性，很多以前想都不敢想的科技都成为了现实，这个世界不是有太多不可能，而是有太多想不到。而且各个学科各有所长，各有所短，多多科普，多多交流，才是真正的创新源泉。但是一定要建立在尊重别人的知识产权的基础上。
ps，我不是工科的，最近一个做仪器的老师跟我聊天，启发我搞了一篇很不错的文章，我就是实现了一个在工程上很不好实现的方法，虽然离实用还远，呵呵。
有想法应该鼓励，不对头就需要科普，不能打击积极性，很多以前想都不敢想的科技都成为了现实，这个世界不是有太多不可能，而是有太多想不到。而且各个学科各有所长，各有所短，多多科普，多多交流，才是真正的创新源泉。但是一定要建立在尊重别人的知识产权的基础上。
ps，我不是工科的，最近一个做仪器的老师跟我聊天，启发我搞了一篇很不错的文章，我就是实现了一个在工程上很不好实现的方法，虽然离实用还远，呵呵。