粒子特性对涡轮叶片表面沉积的影响研究
发布时间：2021-08-22 08:29
随着航空工业的发展,飞机的航路航线也逐步扩展,在不同地区运行的发动机会摄入不同种类的颗粒,并形成一定的沉积结果。粒子的特性参数一直是影响沉积累计结果的重要因素,变化的粒径和颗粒化学组成将对应差异性的颗粒运动状况和颗粒属性参数,从而造成不同的沉积形貌,对应发动机不同的损伤程度和使用寿命。探明各粒子特性参数对沉积结果的影响是研究颗粒物沉积问题方面的一个重要内容。为了得出各粒子特性参数对涡轮叶片表面颗粒物沉积的影响规律,全文以沉积颗粒参数整理,颗粒沉积运动分析,石蜡颗粒沉积对照实验,采用用户自定义功能的数值模拟为手段研究了颗粒的粒径分布,颗粒的化学组成,颗粒的密度等参数对沉积的影响程度,展示涡轮导向叶片表面的颗粒沉积覆盖和增长情况,为将来分析不同环境下外部颗粒的摄入对航空发动机换发和维护的影响提供理论基础。对沉积颗粒的参数整理分析中,统计了近40年来颗粒沉积研究中所采用的沉积颗粒的基本特性,得出了大部分导致沉积的颗粒具有高密度（通常在1500kg/m3之上）,小粒径（0-20微米）,硅铝氧化物含量较高的特点。基于颗粒沉积运动周期概念,从粒子输运,撞击,粘附,剥离的四个过...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
世界民用飞行网络及污染物覆盖区域变化图
中国民航大学硕士学位论文3PM2.5浓度相对较高。这种颗粒物浓度和组成等特性的不同造成的直接后果就是：同种型号的发动机在不同地区运行，沉积的积累速度和沉积量会有所不同。热端部件的性能和寿命，检查和维修的间隔也会受到一定的影响。高的颗粒物浓度可能会极大程度的缩短叶片的维修间隔，增加维修成本。这种因国内特殊的高浓度颗粒物状况造成的差异值得关注。图1-22001-2006年PM2.5的全球卫星衍生图[8]除了浓度上的差异造成的沉积速率的不同，颗粒的粒径大小也将通过影响颗粒的输运过程，改变颗粒与沉积表面的作用形式，如粒子的撞击位置，角度等。将颗粒输送到涡轮叶片的过程中，粒子将承受惯性冲击，湍流扩散，布朗扩散和热泳等机制的影响，改变其运动的模式。主要输送模式由颗粒尺寸范围决定，因而存在差别。因粒径造成的影响，需要进行深入的理论分析。颗粒温度决定了颗粒的物理状态（例如固体，熔融或液态）。而物理状态反过来又将影响颗粒是否从表面反弹或倾向于沉积。不同状态的颗粒与壁面撞击时作用的物理机制有较大的差异。固体颗粒更多是发生弹性和塑性变形，以及动能和颗粒应变能之间相互转换，入射颗粒和反弹颗粒的速度因能量的损失可能存在较大差异；熔融态或液态的颗粒因为流动的特性，更容易堵塞气膜孔或者腐蚀热障涂层，造成的损伤也十分严重。综上所述，运行区域的扩展和高浓度空气污染物的现状，使得航空发动机越来越多暴露在可见的空气和地面颗粒浓度都很高的地区。地区因素造成的颗粒摄入条件的差异，对发动机造成的沉积损伤程度也有所不同，流道及部件表面粗糙度的改变也对发动机影响甚大。因而有必要探索不同粒子特性对颗粒物沉积的影响，尤其是对沉积损伤最
中国民航大学硕士学位论文7图1-3加速沉积设备图与锅炉中的颗粒沉积机制不同，航空发动机由于其内部的高速气体流动，颗粒沉积主要通过惯性冲击发生，而热泳、冷凝这些通常被忽略或者不存在。更多的数值模型关注的重点是颗粒与壁面的相互作用模型。Brach和Dunn[25]开发了临界速度模型，模型是一种低速微球体的冲击粘附模型，可以判断颗粒的回弹和粘附。该模型使用经典冲击理论来描述粒子撞击的方法和反弹阶段的运动情况，使用赫兹接触力学（不包括粘附效应）来描述撞击时的粒子变形，利用Johnson等人[26]提出的粘附模型描述了在反弹过程中克服的粘合力。该模型的重点是计算临界法向速度，利用临界速度和撞击情况判断粘附概率。同时，该模型已由El-batsh和Haselbacher[27]改进，可用于量化颗粒剪切去除，并能适应涡轮系统的高速冲击的条件。在他们的研究中，粒子沉积模型还被用调查煤灰颗粒沉积对涡轮叶片性能的影响。结果显示：最大沉积发生在叶片压力面上，而且随着操作时间的增加，沉积最厚的位置向滞止点移动；对存在沉积的叶片表面的速度进行研究，可以发现压力面的流动速度并不平稳，预计会出现减速流动的区域，可能会发生流动分离，轮廓损失因此增加；随着沉积的增厚，叶片损失会逐渐增加。Sreedharan和Tafti等人[28]从颗粒的粘度-温度关系方向考虑，发展了临界粘度模型，基于颗粒的化学组成和温度定义了粘附概率。粘度本身是依赖于温度的。临界粘度对应的颗粒软化温度则取决于颗粒的化学组成。为了验证该模型，在倾斜45度的平板上对撞击的灰烬射流进行灰沉积的数值模拟。并将获得的飞灰沉积结果与之前Crosby等人
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年春季中国北方大范围沙尘天气对城市空气质量的影响及其天气学分析[J]. 张芝娟,衣育红,陈斌,杜晖. 中国沙漠. 2019(06)
[2]气膜冷却平板表面颗粒物沉积的实验研究[J]. 杨晓军,崔莫含,刘智刚. 推进技术. 2018(06)
[3]涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟[J]. 杨晓军,祝佳雄. 航空学报. 2017(05)
[4]气膜孔附近粒子沉积特性的数值研究[J]. 周君辉,张靖周. 航空动力学报. 2014(09)
[5]涡轮叶栅内粒子沉积特性的数值研究[J]. 周君辉,张靖周. 航空学报. 2013(11)
[6]余热锅炉对流受热面积灰特性的实验研究[J]. 刘博,李辉,李娜,周屈兰,王西宾,田明泉,惠世恩. 工程热物理学报. 2013(02)
[7]煤灰沉积的传热过程模型及其数值研究[J]. 徐明厚,郑楚光,HE X G,AZEVEDO J L T,CARVALHO M G. 工程热物理学报. 2002(01)
硕士论文
[1]燃气轮机涡轮叶片表面污染物沉积模型研究[D]. 裴钰.中国民航大学 2016
本文编号：3357393
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
世界民用飞行网络及污染物覆盖区域变化图
中国民航大学硕士学位论文3PM2.5浓度相对较高。这种颗粒物浓度和组成等特性的不同造成的直接后果就是：同种型号的发动机在不同地区运行，沉积的积累速度和沉积量会有所不同。热端部件的性能和寿命，检查和维修的间隔也会受到一定的影响。高的颗粒物浓度可能会极大程度的缩短叶片的维修间隔，增加维修成本。这种因国内特殊的高浓度颗粒物状况造成的差异值得关注。图1-22001-2006年PM2.5的全球卫星衍生图[8]除了浓度上的差异造成的沉积速率的不同，颗粒的粒径大小也将通过影响颗粒的输运过程，改变颗粒与沉积表面的作用形式，如粒子的撞击位置，角度等。将颗粒输送到涡轮叶片的过程中，粒子将承受惯性冲击，湍流扩散，布朗扩散和热泳等机制的影响，改变其运动的模式。主要输送模式由颗粒尺寸范围决定，因而存在差别。因粒径造成的影响，需要进行深入的理论分析。颗粒温度决定了颗粒的物理状态（例如固体，熔融或液态）。而物理状态反过来又将影响颗粒是否从表面反弹或倾向于沉积。不同状态的颗粒与壁面撞击时作用的物理机制有较大的差异。固体颗粒更多是发生弹性和塑性变形，以及动能和颗粒应变能之间相互转换，入射颗粒和反弹颗粒的速度因能量的损失可能存在较大差异；熔融态或液态的颗粒因为流动的特性，更容易堵塞气膜孔或者腐蚀热障涂层，造成的损伤也十分严重。综上所述，运行区域的扩展和高浓度空气污染物的现状，使得航空发动机越来越多暴露在可见的空气和地面颗粒浓度都很高的地区。地区因素造成的颗粒摄入条件的差异，对发动机造成的沉积损伤程度也有所不同，流道及部件表面粗糙度的改变也对发动机影响甚大。因而有必要探索不同粒子特性对颗粒物沉积的影响，尤其是对沉积损伤最
中国民航大学硕士学位论文7图1-3加速沉积设备图与锅炉中的颗粒沉积机制不同，航空发动机由于其内部的高速气体流动，颗粒沉积主要通过惯性冲击发生，而热泳、冷凝这些通常被忽略或者不存在。更多的数值模型关注的重点是颗粒与壁面的相互作用模型。Brach和Dunn[25]开发了临界速度模型，模型是一种低速微球体的冲击粘附模型，可以判断颗粒的回弹和粘附。该模型使用经典冲击理论来描述粒子撞击的方法和反弹阶段的运动情况，使用赫兹接触力学（不包括粘附效应）来描述撞击时的粒子变形，利用Johnson等人[26]提出的粘附模型描述了在反弹过程中克服的粘合力。该模型的重点是计算临界法向速度，利用临界速度和撞击情况判断粘附概率。同时，该模型已由El-batsh和Haselbacher[27]改进，可用于量化颗粒剪切去除，并能适应涡轮系统的高速冲击的条件。在他们的研究中，粒子沉积模型还被用调查煤灰颗粒沉积对涡轮叶片性能的影响。结果显示：最大沉积发生在叶片压力面上，而且随着操作时间的增加，沉积最厚的位置向滞止点移动；对存在沉积的叶片表面的速度进行研究，可以发现压力面的流动速度并不平稳，预计会出现减速流动的区域，可能会发生流动分离，轮廓损失因此增加；随着沉积的增厚，叶片损失会逐渐增加。Sreedharan和Tafti等人[28]从颗粒的粘度-温度关系方向考虑，发展了临界粘度模型，基于颗粒的化学组成和温度定义了粘附概率。粘度本身是依赖于温度的。临界粘度对应的颗粒软化温度则取决于颗粒的化学组成。为了验证该模型，在倾斜45度的平板上对撞击的灰烬射流进行灰沉积的数值模拟。并将获得的飞灰沉积结果与之前Crosby等人
【参考文献】：
期刊论文
[1]2018年春季中国北方大范围沙尘天气对城市空气质量的影响及其天气学分析[J]. 张芝娟,衣育红,陈斌,杜晖. 中国沙漠. 2019(06)
[2]气膜冷却平板表面颗粒物沉积的实验研究[J]. 杨晓军,崔莫含,刘智刚. 推进技术. 2018(06)
[3]涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟[J]. 杨晓军,祝佳雄. 航空学报. 2017(05)
[4]气膜孔附近粒子沉积特性的数值研究[J]. 周君辉,张靖周. 航空动力学报. 2014(09)
[5]涡轮叶栅内粒子沉积特性的数值研究[J]. 周君辉,张靖周. 航空学报. 2013(11)
[6]余热锅炉对流受热面积灰特性的实验研究[J]. 刘博,李辉,李娜,周屈兰,王西宾,田明泉,惠世恩. 工程热物理学报. 2013(02)
[7]煤灰沉积的传热过程模型及其数值研究[J]. 徐明厚,郑楚光,HE X G,AZEVEDO J L T,CARVALHO M G. 工程热物理学报. 2002(01)
硕士论文
[1]燃气轮机涡轮叶片表面污染物沉积模型研究[D]. 裴钰.中国民航大学 2016
本文编号：3357393
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