金属丝网发散冷却与颗粒沉积关系探究

2019-01-11彭于博

燃气涡轮试验与研究 2018年6期

何建，罗翔，彭于博

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)

1 引言

提高冷却效率一直是涡轮叶片冷却研究的重点，发散冷却作为气膜冷却的极限形式，拥有理论上的最优冷却效率[1]。为适应涡轮叶片复杂的外形和高温工作环境，常采用烧结金属丝网作为涡轮叶片发散冷却的基体材料[2]。在探索发散冷却如何应用到涡轮叶片冷却的过程中，面临的一大难题是涡轮叶片工作环境中的颗粒沉积堵塞微孔[3]。航空发动机工作中外部微细颗粒的侵入，极易在涡轮叶片表面形成沉积或在冷却结构中形成堵塞，而冷却结构的堵塞将对涡轮叶片冷却结构的可靠性造成严重影响[4]。为准确评估发散冷却与颗粒沉积间的关系，需探究颗粒在发散冷却结构表面的沉积特性以及沉积对发散冷却效率的影响，以便为发散冷却结构设计提供技术支撑。

国内外关于颗粒沉积对涡轮叶片冷却影响的研究大多针对气膜冷却。Ai等[5]在涡轮加速沉积实验台上研究了沉积对平板气膜冷却的影响，夹带颗粒的气流与平板成45°角，以此模拟因惯性冲击造成的颗粒沉积，并采用红外相机测量沉积壁面温度。结果表明沉积越厚的区域壁面温度越高；实验中还观察了沉积行为随时间的变化，发现升高的壁面温度加速了沉积，导致非线性的沉积增长率。Lawson等[6]研究了固体和熔融颗粒沉积对平板气膜冷却的影响，采用红外热成像仪测量沉积壁面温度得到沉积前后气膜冷却效率的变化。研究表明，动量比为0.23和0.50时颗粒沉积导致气膜冷却效率降低了近20%，而动量比为0.95时只降低了6%。Albert等[7]实验研究了颗粒沉积对涡轮叶片前缘气膜冷却的影响，结果表明沉积厚度不会随时间增加而无限增长，而是会达到一个维持颗粒的沉积和脱落动态平衡的厚度。Whitaker等[8]研究了正反两种(分别为10°、130°)气膜孔出流角度对颗粒沉积的影响，结果显示出流角度不影响总的沉积质量，只影响沉积质量的分布。周君辉等[9]研究了颗粒直径和气膜出流吹风比对气膜孔附近颗粒运动与沉积特性的影响，发现小直径颗粒沉积率随吹风比增大而增大，大直径颗粒沉积率随吹风比增大而减小，总体沉积率随吹风比增大不断降低。关于颗粒沉积与发散冷却的相互作用，国外也做了少量研究工作。Raj[10]在涡轮叶栅上进行了发散冷却叶片上的沉积实验，探究了颗粒在实际发散冷却叶片的沉积机理。Kozlu等[11-12]实验研究了发散冷却对于沉积控制的效果，显示颗粒直径对颗粒在发散冷却边界层厚度方向的浓度分布有较大影响；同时还研究了不同吹风比下颗粒穿过发散冷却湍流边界层的特点。

从国内外公开信息看，鲜有涉及颗粒在发散冷却沉积覆盖分布特性及沉积对发散冷却换热特性影响的研究。为深入了解颗粒沉积与发散冷却间的相互作用，本文研究了微细颗粒在发散冷却过程中的沉积特性，探究了颗粒在发散冷却结构中的沉积分布及颗粒沉积对发散冷却效率的影响，以期为发散冷却在涡轮叶片冷却中实际应用提供参考。

2 实验装置

实验装置(图1)包括供气系统、加热系统、喷雾系统、实验段、温度压力测量系统、数据采集系统和尾气处理系统。

2.1 供气系统

供气系统气源由压气站提供，主流与冷气工质均为空气，压缩机将空气压缩后储存在储气罐中，通过不同管路分别引至主流段与冷却段。

2.2 加热系统

加热系统由两个加热单元沿流向依次布置，每个加热单元由加热网、铜电极及云母衬架通过螺栓连接，加热网选用铁铬铝网，每个加热单元共包含3张丝网，通过U形铜电极串联连接，并通过首尾两个一字形铜电极连接导线，丝网之间用云母衬架隔开。

2.3 喷雾系统

实验中选用石蜡模拟航空发动机燃烧室产生的颗粒物，并设计了可将熔融态石蜡喷射到通道中的喷雾系统(图2)。喷雾系统分为气路、液路和喷射装置三部分。液路主要由气泵、压力罐、流量计、铜管组成。气路主要由气泵、流量计和铜管组成。喷射装置选用空气雾化喷嘴。储存在压力罐中的石蜡(常温下为固态)经电加热器加热融化，液态石蜡经高压气体挤压流入铜管(由电阻加热器加热)进入喷嘴，再与流经气路已加热的热空气在喷嘴中汇合，最后经喷嘴雾化喷射入实验段。气路和液路的气体均由稳压阀稳定气压。流量计用于监控气体和石蜡的流量。

2.4 实验段

实验中，选用烧结金属丝网实现发散冷却结构，其结构如图3所示。实验段设置红外摄像窗口，用于红外相机记录金属丝网表面的温度分布。

2.5 温度压力测量系统和数据采集系统

实验中，温度和压力的测点分布如图4所示。主流和冷气温度采用热电偶测量，经VB程序采集；主流和冷气压力采用罗斯蒙特压力传感器测量；金属丝网表面温度通过红外测试技术测量。对金属丝网表面喷黑漆，使金属丝网与石蜡在实验条件下具有相同的发射率。

实验中石蜡颗粒粒径用马尔文粒度仪测量。采用北京航空航天大学自主设计的双目光栅投影仪(图5)，基于激光三角法测量原理，精确测量金属丝网表面沉积物的沉积分布特性。

2.6 尾气处理系统

尾气处理系统包括铝制排烟管和布袋除尘器，其主要功能是将残留在主流中的石蜡颗粒回收处理。

3 实验结果

本实验中，发散冷却效率定义为：

式中：Tg为主流温度，Tc为冷气温度，Tw为壁面温度。

吹风比定义为：

式中：A为通道面积，下标g、c分别代表主流和冷气。

本实验工况为：主流流量100 kg/h，冷气流量10 kg/h；主流温度313 K，冷气温度283 K；主流雷诺数1.1×105；吹风比0.05。石蜡融点317 K，流量为6 ml/min。

3.1 颗粒沉积

斯托克斯数作为表征颗粒在流体中行为的无量纲参数[13]，定义式为：

当Stk≤1时，颗粒易跟随流体运动；反之，Stk越大(Stk＞1)颗粒惯性越大，颗粒运动的跟随性越不明显。

实际发动机中颗粒物的斯托克斯数在1～150范围内。本实验中以金属丝网平均孔径90 μm作为特征长度lc，为满足特征参数相似，实验中通过控制喷雾系统的气液比来实现。石蜡颗粒的粒径分布如图6所示。由图可知：颗粒粒径主要分布在40～100 μm范围内，粒径中值约为55 μm，中值粒径斯托克斯数为82。

喷雾前后，金属丝网表面形貌如图7所示。可以观察到，喷雾后，颗粒沉积在实验件表面，且不同区域的沉积情况不同。沿主流方向，颗粒沉积的厚度逐渐减小。

图8为双目光栅投影仪测量的不同喷雾时间下石蜡颗粒在金属丝网表面的沉积分布。由图可看出，金属丝网前缘因气膜覆盖率低，温度高，该区域石蜡颗粒的附着性更强，沉积出现较早，且厚度高于金属丝网下游区域。由于颗粒的沉积具有随机性，因此整个实验件表面各区域均有不同程度的颗粒堆积。在实验件中线区域，颗粒的积聚更为明显，厚度也明显高于其他区域。

图9反映了不同喷雾时间下实验件表面颗粒沉积的质量变化规律。图中1、2、3表示每个喷雾时长对应的重复实验。由图可看出，随着喷雾时间的增加，沉积物的质量随之增加，且增长趋势非线性。喷雾前期，因冷却气膜的存在，沉积物积聚比较缓慢。随着喷雾时间的增加，由于早期部分石蜡的沉积，加剧了后续沉积物的堆积。当沉积达到一定厚度时，沉积物的继续堆积受主流和冷气流动的影响更加明显，沉积积聚速度减慢。

3.2 金属丝网表面温度分布

图10显示了不同喷雾时间下金属丝网表面的温度分布（图中X为主流流向，Y为展向）。无沉积时，实验件表面温度沿主流流向逐渐降低。这是由于冷气流出实验件外表面后，在主流的作用下沿流向逐渐增厚，减小了实验件下游区域与主流的热量传递，发散冷却效率随之提高。随着沉积物的产生，实验件表面温度分布发生了变化。由于沉积物堵塞了发散冷却的冷气通道，使得当地的冷却效率明显降低，而随着沉积厚度的增加这一趋势更加明显。当沉积厚度大于金属丝网表面覆盖的气膜厚度时，温度会急剧增加至接近主流温度。同时，由于局部产生的孔隙堵塞，使得流动阻力增加，冷气的流动方向发生改变，本应从被堵塞孔隙流出的冷气从沉积物附近的孔隙流出，导致沉积物周围孔隙的冷气流量增加，从而使该区域的冷却效率提升——这一现象在沉积物较厚的区域尤为明显，在沉积物较薄的区域不明显。但总体看，由于颗粒物的沉积导致发散冷却气膜结构被破坏，使得整个区域的冷却不均匀，冷却效率反而降低。

3.3 颗粒沉积对冷却效率的影响

根据实验件表面的温度分布，可计算得到其冷却效率分布，见图11。可发现，颗粒沉积在金属丝网表面后，使得各处的冷却效率有不同程度改变。

为进一步探究颗粒沉积分布对发散冷却效率的影响，定义实验件各处冷却效率减小值为沉积前、后冷却效率之差。冷却效率减小值可反映出各处因颗粒沉积导致的冷却效率变化。

图12、图13分别示出了沿流向中心线和展向截面(距实验件前缘1 cm)处，颗粒沉积前后冷却效率的变化与沉积厚度的分布，对比了沉积厚度对冷却效率变化的影响。由图可看出，沉积厚度的分布与冷却效率的变化规律基本一致。当沉积厚度较小时，沉积物对冷气的流动影响较小，当地的冷却效率会产生小幅波动。当沉积厚度在1 mm以内时，冷却效率波动保持在10%以内。当沉积厚度较大时，由于局部流动阻力急剧增加，使得当地的冷却效率显著降低，而紧邻沉积物的区域因冷气流量激增导致其冷却效率增加。当沉积厚度大于1 mm时，冷却效率波动明显增加。