燃气轮机涡轮叶片表面污染物沉积模型研究

发布时间：2020-01-21 05:16

【摘要】：对于航空发动机,从燃烧室流出的高温高压气体中包含一些熔融杂质颗粒,其主要有两方面来源:一是进气气体中掺杂的杂质颗粒(如火山灰等);二是燃油中的杂质。这些熔融颗粒可能会在涡轮叶片表面发生沉积,有些粒子甚至会进入到冷气通道内部,造成冷气孔堵塞,降低发动机的性能。本文基于已有的两种沉积模型—临界粘度模型与临界速度模型,提出新沉积模型,通过对不同工作环境下模拟结果的对比分析,验证其可行性并研究了各物理参数对叶片表面沉积现象的影响规律。本文基于两相流动理论,建立主流燃气-熔融颗粒气固两相流动无量纲方程组,得到粒子温度场与速度场的分布规律,发现粒子的速度、温度值主要受到粒子本身物理化学性质及主流温度场与速度场的影响,最终得出沉积率D的表达式。对无气膜冷却叶片通道模型,研究了主流温度与进出口压强比对沉积行为的影响。主流温度过高会导致叶片表面及内部流体的温度值升高,粒子捕捉效率升高且允许沉积的粒子尺寸范围扩大;进出口压强比过高会使得叶片表面温度降低,粒子的总捕捉效率降低。此外,本文分别研究了吹风比,射流角度与孔径在平板模型与前缘模型下对沉积的影响。吹风比,射流角度过低不能将粒子吹离壁面,导致叶粒子碰撞效率过高,捕捉效率较高,过高会造成冷却气体与壁面分离,叶片表面温度变高,增加粒子的沉积效率,因此存在最佳吹风比与最佳射流角度使得粒子的沉积量最小。而孔径越大,气膜孔流出的冷却气体流量越大,将粒子吹离壁面的同时降低粒子温度,使得粒子的捕捉效率越低。
【图文】：

在进入发动机前被过滤掉，但航空发动机中并不存在这样的过在 1μm- 10μm[1][2][3]之间的粒子，混合在高温燃气流中流向发动气轮机性能的主要方法是不断提高涡轮前温度以及在此基础上。在过去的半个世纪中，涡轮前温度得到了大幅度的提升，，其涡轮前温度已经达到 2000 K，远远超过材料的允许温度。为了运行，气膜冷却和热障涂层等热防护技术被引入到了燃气轮机下处于熔融的状态的污染物颗粒，在遇到相对较冷的气膜孔区围，甚至堵塞气膜孔，改变冷却结构，使得涂层温度不均匀，侵蚀热障涂层，使得涂层表面粗糙度发生改变，甚至导致涂层膜冷却效率，降低性能，甚至影响发动机的安全。图 1-1 给出火山灰后其第一级静叶叶栅上颗粒物沉积的图像。

第三章 叶片表面沉积模拟模拟无气膜冷却情况下，涡轮叶片表面污染物的沉积，三维模型。虽然对旋转叶片的研究很少，但已有的研究的压力侧，旋转对表面的温度影响不大。基于这种观念静止叶片进行数值模拟。本章主要利用临界速度模型、分析研究，主流温度，进出口压比以及粒子尺寸对粒子了新沉积模型在无气膜冷却结构情况下的可行性。型及参数设置 所示,叶片弦长 122mm,叶高为 30mm。
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V235.1


本文编号：2571478