颗粒物沉积对气膜冷却特性影响的研究

发布时间：2020-08-08 07:35

【摘要】：现代航空工业领域的不断发展,为了进一步提高燃气轮机的推重比和效率等性能指标,从燃烧室射出到第一级涡轮的温度必然会随之升高。因此,叶片表面的冷却技术被广泛应用到叶片的制造和设计过程中,以保持较高的运行稳定性和使用寿命。叶片的表面冷却技术经过几十年的发展,已经渐趋成熟,气膜冷却作为其中重要的组成部分,也得到了广泛的研究和应用。然而,燃气轮机中的沉积现象,会造成孔周围的表面形貌发生变化或产生气膜孔的局部堵塞,严重影响燃气轮机的使用寿命,因此,研究颗粒物在叶片表面沉积现象对于气膜冷却特性的具体影响,是很有研究意义的。本文对颗粒物在气膜孔附近存在沉积的气膜冷却模型进行了数值仿真及对比分析,最终总结出各个不同因素下,气膜孔周围的沉积对于下游气膜冷却效率的具体影响。首先,根据以往的文献及国外相关的实验结果,将气膜孔周围的沉积形貌简化成半球形的突起,将突起的尺寸形状等变量进行参数化设计和计算方案的确定,通过对计算结果的整理对比,分析气膜冷却模型在不同的凸起形状、凸起尺寸以及不同吹风比条件下的下游流场和温度场,得出各个因素对气膜冷却特性的影响。在中低吹风比的工况下,凸脊的位置对冷却效率的影响较为明显,表现为与气膜孔距离较近的位置冷却效率短期损失较为明显,距离越近形象越明显;凸脊的形状因素对于气膜孔附近区域的冷却效率有着较弱的作用,具体表现为随着凸脊几何尺寸的增大,绝热冷却效率有着略微的提高的趋势;而下游流动,随着凸脊结尺寸越大,冷却效率会略有降低。在高吹风比的条件下,各个结构的共性问题是此时凸脊的位置因素已经不是冷却效率和下游流动特性的主要影响因素,但可以通过影响肾形涡的范围和强度,间接影响冷却效率和传热流动等特性。相对于结构因素,凸脊的位置因素对冷却效果前期的影响较大,而尺寸因素则对后期气流的充分掺混和发展后的冷却效果影响较大。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V235.1
【图文】：

堵塞现象,气膜

电力、交通等基础建设领域得到了越加广泛的应用。作为在航空、动力设备, 其性能要求不断提高。根据热力学基础知识，为了提高燃并获得更大的推重比，从燃烧室喷出并进入涡轮第一级的工质温度高温对于叶片的性能和稳定性会造成影响。为了兼顾机械运行的高性，科研工作者对叶片的高效冷却技术进行了大量的研究，其中，一种高效的冷却技术，在实际应用中得到了广泛的应用，也成为了要研究技术之一。保障燃气轮机的稳定运行，叶片表面的冷却技术得到了广泛的研究却作为其中一种最常用的冷却方式，通过将冷气从叶片表面上的孔形成一层冷气薄膜，使得涡轮叶片表面高温工质的直接接触。航空程中，尤其是在含沙尘和污染严重的环境，某些颗粒物从固态转化寸普遍在 1μm- 10μm，来源包括杂质颗粒物（如火山灰、沙砾等）质以及不完全燃烧产生的积焦结碳等，这些物质在涡轮与从燃烧室体相遇，熔融物粒子到达相对较冷的气膜孔区域时，会堆积在气膜膜孔的堵塞，从而降低发动机的冷却效率[1]，如图 1-1 所示。

航空发动机,现象,颗粒物,气膜冷却

对气动性能和冷却效率造成严重影响，降低了发动机的寿命与安全性。图1-2 展示了一台航空发动机由于火山灰的沉积，在第一级静叶上形成的表面侵蚀现象。图 1-2 航空发动机表面的火山灰沉积现象[1]考虑到气膜孔周围的颗粒物沉积现象会影响到气膜冷却的效果，研究气膜孔的沉积现象对气膜冷却特性的影响，是非常有必要的。通过对沉积现象的研究，可以对提高涡轮叶片的环境适应，也可以在冷却系统设计时作为参考要素之一，同时对叶片表面沉积的具体形貌和位置分布及其对气膜冷却的影响进行相关的模拟和研究分析，是对提升设备整体性能和稳定性，有一定的指导意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 颗粒物沉积的研究现状国外对于叶片表面沉积的研究开展较早，相关的实验设备和实验手段相对先进。Crosby[2][3][4]、Weiguo Ai 等人[5][6]利用涡轮加速沉积设备进行相关实验（TADF），该装置通过增大燃气道中的颗粒物浓度，对颗粒物沉积进行加速模拟，以研究涡轮机中本身的沉积形貌。经过相关实验经验的积累和浓度的设定，该装置在一个 4小时的试验中，可模拟 10,000 小时的运行工况。通过多实验序列的设置，对比金属表面温度、颗粒的大小、和主流气体的温度对沉积过程的影响。经过整理实验数据得知，当主流气体温度超过 1230K 以后，沉积增长速度会呈现明显上升趋势。在主流气体温度不变的情况下，随着金属表面温度的降低，颗粒物沉积的形貌所造成的表面粗糙程度会下降。图 1-3（a）为沉积设备装置图

形貌,沉积设备,孔距,形貌

和温度进行绝热冷却效率和换热系数的采集整理计算，通过设置三组不同的孔距，保持其他因素如吹风比、主流温度等实验条件保持一致，进行了对比试验，三次试验所形成的沉积形貌如图1-4所示，可以通过文章了解到，孔距较窄的一组（s/d=3）的沉积凸起仅位于气膜孔的上游，并且峰值高度较高（约为 2d）；而其他两组的熔融沉积物则会分布在气膜孔后侧间断处以及气膜孔的上游侧翼。该实验进行了吹风比 0.5 到 2 的各组实验，通过，对各个沉积形貌的总结，对本文进行简化模型的建模起到了重要的指导作用。(a)s/d=3.0 (b)s/d=3.35 (c)s/d=4.5图 1-4 不同孔距下（（a）s/d=3.0，(b)s/d=3.35，(c)s/d=4.5）沉积设备呈现的沉积形貌[7]

【参考文献】