【摘要】：現(xiàn)代航空工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,為了進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)的推重比和效率等性能指標(biāo),從燃燒室射出到第一級(jí)渦輪的溫度必然會(huì)隨之升高。因此,葉片表面的冷卻技術(shù)被廣泛應(yīng)用到葉片的制造和設(shè)計(jì)過(guò)程中,以保持較高的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。葉片的表面冷卻技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已經(jīng)漸趨成熟,氣膜冷卻作為其中重要的組成部分,也得到了廣泛的研究和應(yīng)用。然而,燃?xì)廨啓C(jī)中的沉積現(xiàn)象,會(huì)造成孔周圍的表面形貌發(fā)生變化或產(chǎn)生氣膜孔的局部堵塞,嚴(yán)重影響燃?xì)廨啓C(jī)的使用壽命,因此,研究顆粒物在葉片表面沉積現(xiàn)象對(duì)于氣膜冷卻特性的具體影響,是很有研究意義的。本文對(duì)顆粒物在氣膜孔附近存在沉積的氣膜冷卻模型進(jìn)行了數(shù)值仿真及對(duì)比分析,最終總結(jié)出各個(gè)不同因素下,氣膜孔周圍的沉積對(duì)于下游氣膜冷卻效率的具體影響。首先,根據(jù)以往的文獻(xiàn)及國(guó)外相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將氣膜孔周圍的沉積形貌簡(jiǎn)化成半球形的突起,將突起的尺寸形狀等變量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和計(jì)算方案的確定,通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的整理對(duì)比,分析氣膜冷卻模型在不同的凸起形狀、凸起尺寸以及不同吹風(fēng)比條件下的下游流場(chǎng)和溫度場(chǎng),得出各個(gè)因素對(duì)氣膜冷卻特性的影響。在中低吹風(fēng)比的工況下,凸脊的位置對(duì)冷卻效率的影響較為明顯,表現(xiàn)為與氣膜孔距離較近的位置冷卻效率短期損失較為明顯,距離越近形象越明顯;凸脊的形狀因素對(duì)于氣膜孔附近區(qū)域的冷卻效率有著較弱的作用,具體表現(xiàn)為隨著凸脊幾何尺寸的增大,絕熱冷卻效率有著略微的提高的趨勢(shì);而下游流動(dòng),隨著凸脊結(jié)尺寸越大,冷卻效率會(huì)略有降低。在高吹風(fēng)比的條件下,各個(gè)結(jié)構(gòu)的共性問(wèn)題是此時(shí)凸脊的位置因素已經(jīng)不是冷卻效率和下游流動(dòng)特性的主要影響因素,但可以通過(guò)影響腎形渦的范圍和強(qiáng)度,間接影響冷卻效率和傳熱流動(dòng)等特性。相對(duì)于結(jié)構(gòu)因素,凸脊的位置因素對(duì)冷卻效果前期的影響較大,而尺寸因素則對(duì)后期氣流的充分摻混和發(fā)展后的冷卻效果影響較大。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V235.1
【圖文】：

電力、交通等基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域得到了越加廣泛的應(yīng)用。作為在航空、動(dòng)力設(shè)備, 其性能要求不斷提高。根據(jù)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，為了提高燃并獲得更大的推重比，從燃燒室噴出并進(jìn)入渦輪第一級(jí)的工質(zhì)溫度高溫對(duì)于葉片的性能和穩(wěn)定性會(huì)造成影響。為了兼顧機(jī)械運(yùn)行的高性，科研工作者對(duì)葉片的高效冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，其中，一種高效的冷卻技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，也成為了要研究技術(shù)之一。保障燃?xì)廨啓C(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，葉片表面的冷卻技術(shù)得到了廣泛的研究卻作為其中一種最常用的冷卻方式，通過(guò)將冷氣從葉片表面上的孔形成一層冷氣薄膜，使得渦輪葉片表面高溫工質(zhì)的直接接觸。航空程中，尤其是在含沙塵和污染嚴(yán)重的環(huán)境，某些顆粒物從固態(tài)轉(zhuǎn)化寸普遍在 1μm- 10μm，來(lái)源包括雜質(zhì)顆粒物（如火山灰、沙礫等）質(zhì)以及不完全燃燒產(chǎn)生的積焦結(jié)碳等，這些物質(zhì)在渦輪與從燃燒室體相遇，熔融物粒子到達(dá)相對(duì)較冷的氣膜孔區(qū)域時(shí)，會(huì)堆積在氣膜膜孔的堵塞，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效率[1]，如圖 1-1 所示。

對(duì)氣動(dòng)性能和冷卻效率造成嚴(yán)重影響，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命與安全性。圖1-2 展示了一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)由于火山灰的沉積，在第一級(jí)靜葉上形成的表面侵蝕現(xiàn)象。圖 1-2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面的火山灰沉積現(xiàn)象[1]考慮到氣膜孔周圍的顆粒物沉積現(xiàn)象會(huì)影響到氣膜冷卻的效果，研究氣膜孔的沉積現(xiàn)象對(duì)氣膜冷卻特性的影響，是非常有必要的。通過(guò)對(duì)沉積現(xiàn)象的研究，可以對(duì)提高渦輪葉片的環(huán)境適應(yīng)，也可以在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)作為參考要素之一，同時(shí)對(duì)葉片表面沉積的具體形貌和位置分布及其對(duì)氣膜冷卻的影響進(jìn)行相關(guān)的模擬和研究分析，是對(duì)提升設(shè)備整體性能和穩(wěn)定性，有一定的指導(dǎo)意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 顆粒物沉積的研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于葉片表面沉積的研究開展較早，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)手段相對(duì)先進(jìn)。Crosby[2][3][4]、Weiguo Ai 等人[5][6]利用渦輪加速沉積設(shè)備進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)（TADF），該裝置通過(guò)增大燃?xì)獾乐械念w粒物濃度，對(duì)顆粒物沉積進(jìn)行加速模擬，以研究渦輪機(jī)中本身的沉積形貌。經(jīng)過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累和濃度的設(shè)定，該裝置在一個(gè) 4小時(shí)的試驗(yàn)中，可模擬 10,000 小時(shí)的運(yùn)行工況。通過(guò)多實(shí)驗(yàn)序列的設(shè)置，對(duì)比金屬表面溫度、顆粒的大小、和主流氣體的溫度對(duì)沉積過(guò)程的影響。經(jīng)過(guò)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，當(dāng)主流氣體溫度超過(guò) 1230K 以后，沉積增長(zhǎng)速度會(huì)呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。在主流氣體溫度不變的情況下，隨著金屬表面溫度的降低，顆粒物沉積的形貌所造成的表面粗糙程度會(huì)下降。圖 1-3（a）為沉積設(shè)備裝置圖

和溫度進(jìn)行絕熱冷卻效率和換熱系數(shù)的采集整理計(jì)算，通過(guò)設(shè)置三組不同的孔距，保持其他因素如吹風(fēng)比、主流溫度等實(shí)驗(yàn)條件保持一致，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，三次試驗(yàn)所形成的沉積形貌如圖1-4所示，可以通過(guò)文章了解到，孔距較窄的一組（s/d=3）的沉積凸起僅位于氣膜孔的上游，并且峰值高度較高（約為 2d）；而其他兩組的熔融沉積物則會(huì)分布在氣膜孔后側(cè)間斷處以及氣膜孔的上游側(cè)翼。該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了吹風(fēng)比 0.5 到 2 的各組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)，對(duì)各個(gè)沉積形貌的總結(jié)，對(duì)本文進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的建模起到了重要的指導(dǎo)作用。(a)s/d=3.0 (b)s/d=3.35 (c)s/d=4.5圖 1-4 不同孔距下（（a）s/d=3.0，(b)s/d=3.35，(c)s/d=4.5）沉積設(shè)備呈現(xiàn)的沉積形貌[7]

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張玲;王沖;;孔型對(duì)平板氣膜冷卻效率影響的數(shù)值模擬[J];熱力發(fā)電;2015年04期

2 周君輝;張靖周;;氣膜孔附近粒子沉積特性的數(shù)值研究[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2014年09期

3 周君輝;張靖周;;渦輪葉柵內(nèi)粒子沉積特性的數(shù)值研究[J];航空學(xué)報(bào);2013年11期

4 許艷芝;朱惠人;張宗衛(wèi);;吹風(fēng)比和偏角對(duì)交叉孔氣膜冷卻特性的影響[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2013年02期

5 王春娟;董若凌;施紅輝;陳偉;張曉東;;不同孔型平板氣膜冷卻特性的數(shù)值模擬[J];浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào);2012年02期

6 陳鑫;何立明;于錦祿;胡安輝;;利用橫向槽改善氣膜冷卻效率的實(shí)驗(yàn)[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2010年02期

7 雷云濤;林智榮;袁新;;不同吹風(fēng)比下平板氣膜冷卻數(shù)值模擬[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年08期

8 蔣永健;何立明;于錦祿;段斌;;利用橫向槽改善氣膜冷卻效率的數(shù)值研究[J];推進(jìn)技術(shù);2008年03期

9 章大海;陳秋煬;曾敏;羅來(lái)勤;張冬潔;王秋旺;;不同橫槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜冷卻效率影響的數(shù)值研究[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2008年04期

10 李永康;張靖周;姚玉;;利用三角形突片改善氣膜冷卻效率的數(shù)值研究[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2006年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 李佳;燃?xì)廨啓C(jī)透平氣膜冷卻機(jī)理的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D];清華大學(xué);2011年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 楊琦;基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及浸潤(rùn)邊界法的飛灰沉積數(shù)值模擬研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

2 裴鈺;燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片表面污染物沉積模型研究[D];中國(guó)民航大學(xué);2016年

3 李沖;飛灰復(fù)燃顆粒沉積數(shù)值模擬[D];大連理工大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2785274