【摘 要】
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船用燃气轮机长期工作在高盐、高湿的海洋环境中,燃气中掺混的杂质在高温工作环境下生成的硫化物会与盐雾的主要组成部分Na Cl发生化学反应生成熔融状态的Na2SO4,这些熔融杂质颗粒随同主流进入叶栅通道,破坏涡轮叶片表面的隔热涂层,并加剧合金的腐蚀,颗粒沉积在叶片表面不仅会影响表面的流动传热特性还会造成涡轮叶片烧蚀。对于航空发动机而言,在含大量沙尘污染的环境中工作,一些火山灰、沙砾等杂质被吸入发动机中
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船用燃气轮机长期工作在高盐、高湿的海洋环境中,燃气中掺混的杂质在高温工作环境下生成的硫化物会与盐雾的主要组成部分Na Cl发生化学反应生成熔融状态的Na2SO4,这些熔融杂质颗粒随同主流进入叶栅通道,破坏涡轮叶片表面的隔热涂层,并加剧合金的腐蚀,颗粒沉积在叶片表面不仅会影响表面的流动传热特性还会造成涡轮叶片烧蚀。对于航空发动机而言,在含大量沙尘污染的环境中工作,一些火山灰、沙砾等杂质被吸入发动机中,经过燃烧室高温加热后形成的熔融态颗粒的沉积不仅会降低涡轮的通流面积,影响发动机的性能,还会局部堵塞气膜冷却孔,造成冷却结构的相应失效。本文以分析随主流燃气进入涡轮叶栅通道内的颗粒的动力学和颗粒与壁面相互作用的特性为出发点,探究了颗粒与表面碰撞后发生粘附与剥离以及沉积与反弹相互作用准则,包括颗粒-壁面碰撞动力学特性的分析和预测。在此基础上构建相应的颗粒-壁面沉积模型进行数值模拟计算。通过考虑颗粒与接触壁面的材料属性、颗粒的撞击速度、角度、粒径等相关因素,计算颗粒的恢复变形做功和壁面粘附力做功,最终得到颗粒反弹速度的法向和切向恢复系数,建立了相应的颗粒碰撞动力学预测模型。对于无气膜冷却结构的叶栅通道内,在临界速度模型下,随动量Stokes数增大,叶片表面和端壁处的颗粒沉积效率先保持不变后开始减小。在临界黏度模型下,随着动量Stokes数的增大,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率都不断增大,而上端壁处先增大后减小,最后再增大。吹风比的增大不一定会改善叶片表面的颗粒碰撞效率,相反有可能会增加颗粒的碰撞效率,但会减小叶片表面的颗粒沉积效率,对于上下端壁处和叶片表面的颗粒捕获效率的影响并不相同。对平板而言,同一吹风比下,颗粒碰撞效率随沟槽深度增加而增大。不同沟槽深度对颗粒沉积分布和气膜冷却效率的影响在不同吹风比下有所差异。对于叶片而言,在同一吹风比下,0.8d沟槽的存在使得叶片压力面颗粒碰撞效率有所增加,但颗粒的沉积捕获效率都有所降低。在小吹风比下,沟槽结构的存在使得气膜孔出口冷气从下端壁向上端壁偏离,气膜冷却效率由于展向气膜覆盖面积增大而有所提高。沟槽内的气膜冷却性能虽然因吹风比的增加而有所下降,但是沟槽下游的气膜冷却性能也要优于原始结构。
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