金屬絲網(wǎng)發(fā)散冷卻與顆粒沉積關(guān)系探究

何 建，羅 翔，彭于博

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

1 引言

提高冷卻效率一直是渦輪葉片冷卻研究的重點(diǎn)，發(fā)散冷卻作為氣膜冷卻的極限形式，擁有理論上的最優(yōu)冷卻效率[1]。為適應(yīng)渦輪葉片復(fù)雜的外形和高溫工作環(huán)境，常采用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)作為渦輪葉片發(fā)散冷卻的基體材料[2]。在探索發(fā)散冷卻如何應(yīng)用到渦輪葉片冷卻的過程中，面臨的一大難題是渦輪葉片工作環(huán)境中的顆粒沉積堵塞微孔[3]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作中外部微細(xì)顆粒的侵入，極易在渦輪葉片表面形成沉積或在冷卻結(jié)構(gòu)中形成堵塞，而冷卻結(jié)構(gòu)的堵塞將對(duì)渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的可靠性造成嚴(yán)重影響[4]。為準(zhǔn)確評(píng)估發(fā)散冷卻與顆粒沉積間的關(guān)系，需探究顆粒在發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)表面的沉積特性以及沉積對(duì)發(fā)散冷卻效率的影響，以便為發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

國內(nèi)外關(guān)于顆粒沉積對(duì)渦輪葉片冷卻影響的研究大多針對(duì)氣膜冷卻。Ai等[5]在渦輪加速沉積實(shí)驗(yàn)臺(tái)上研究了沉積對(duì)平板氣膜冷卻的影響，夾帶顆粒的氣流與平板成45°角，以此模擬因慣性沖擊造成的顆粒沉積，并采用紅外相機(jī)測(cè)量沉積壁面溫度。結(jié)果表明沉積越厚的區(qū)域壁面溫度越高；實(shí)驗(yàn)中還觀察了沉積行為隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)升高的壁面溫度加速了沉積，導(dǎo)致非線性的沉積增長(zhǎng)率。Lawson等[6]研究了固體和熔融顆粒沉積對(duì)平板氣膜冷卻的影響，采用紅外熱成像儀測(cè)量沉積壁面溫度得到沉積前后氣膜冷卻效率的變化。研究表明，動(dòng)量比為0.23和0.50時(shí)顆粒沉積導(dǎo)致氣膜冷卻效率降低了近20%，而動(dòng)量比為0.95時(shí)只降低了6%。Albert等[7]實(shí)驗(yàn)研究了顆粒沉積對(duì)渦輪葉片前緣氣膜冷卻的影響，結(jié)果表明沉積厚度不會(huì)隨時(shí)間增加而無限增長(zhǎng)，而是會(huì)達(dá)到一個(gè)維持顆粒的沉積和脫落動(dòng)態(tài)平衡的厚度。Whitaker等[8]研究了正反兩種(分別為10°、130°)氣膜孔出流角度對(duì)顆粒沉積的影響，結(jié)果顯示出流角度不影響總的沉積質(zhì)量，只影響沉積質(zhì)量的分布。周君輝等[9]研究了顆粒直徑和氣膜出流吹風(fēng)比對(duì)氣膜孔附近顆粒運(yùn)動(dòng)與沉積特性的影響，發(fā)現(xiàn)小直徑顆粒沉積率隨吹風(fēng)比增大而增大，大直徑顆粒沉積率隨吹風(fēng)比增大而減小，總體沉積率隨吹風(fēng)比增大不斷降低。關(guān)于顆粒沉積與發(fā)散冷卻的相互作用，國外也做了少量研究工作。Raj[10]在渦輪葉柵上進(jìn)行了發(fā)散冷卻葉片上的沉積實(shí)驗(yàn)，探究了顆粒在實(shí)際發(fā)散冷卻葉片的沉積機(jī)理。Kozlu等[11-12]實(shí)驗(yàn)研究了發(fā)散冷卻對(duì)于沉積控制的效果，顯示顆粒直徑對(duì)顆粒在發(fā)散冷卻邊界層厚度方向的濃度分布有較大影響；同時(shí)還研究了不同吹風(fēng)比下顆粒穿過發(fā)散冷卻湍流邊界層的特點(diǎn)。

從國內(nèi)外公開信息看，鮮有涉及顆粒在發(fā)散冷卻沉積覆蓋分布特性及沉積對(duì)發(fā)散冷卻換熱特性影響的研究。為深入了解顆粒沉積與發(fā)散冷卻間的相互作用，本文研究了微細(xì)顆粒在發(fā)散冷卻過程中的沉積特性，探究了顆粒在發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)中的沉積分布及顆粒沉積對(duì)發(fā)散冷卻效率的影響，以期為發(fā)散冷卻在渦輪葉片冷卻中實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)包括供氣系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)段、溫度壓力測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。

2.1 供氣系統(tǒng)

供氣系統(tǒng)氣源由壓氣站提供，主流與冷氣工質(zhì)均為空氣，壓縮機(jī)將空氣壓縮后儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中，通過不同管路分別引至主流段與冷卻段。

2.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)由兩個(gè)加熱單元沿流向依次布置，每個(gè)加熱單元由加熱網(wǎng)、銅電極及云母襯架通過螺栓連接，加熱網(wǎng)選用鐵鉻鋁網(wǎng)，每個(gè)加熱單元共包含3張絲網(wǎng)，通過U形銅電極串聯(lián)連接，并通過首尾兩個(gè)一字形銅電極連接導(dǎo)線，絲網(wǎng)之間用云母襯架隔開。

2.3 噴霧系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中選用石蠟?zāi)M航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室產(chǎn)生的顆粒物，并設(shè)計(jì)了可將熔融態(tài)石蠟噴射到通道中的噴霧系統(tǒng)(圖2)。噴霧系統(tǒng)分為氣路、液路和噴射裝置三部分。液路主要由氣泵、壓力罐、流量計(jì)、銅管組成。氣路主要由氣泵、流量計(jì)和銅管組成。噴射裝置選用空氣霧化噴嘴。儲(chǔ)存在壓力罐中的石蠟(常溫下為固態(tài))經(jīng)電加熱器加熱融化，液態(tài)石蠟經(jīng)高壓氣體擠壓流入銅管(由電阻加熱器加熱)進(jìn)入噴嘴，再與流經(jīng)氣路已加熱的熱空氣在噴嘴中匯合，最后經(jīng)噴嘴霧化噴射入實(shí)驗(yàn)段。氣路和液路的氣體均由穩(wěn)壓閥穩(wěn)定氣壓。流量計(jì)用于監(jiān)控氣體和石蠟的流量。

2.4 實(shí)驗(yàn)段

實(shí)驗(yàn)中，選用燒結(jié)金屬絲網(wǎng)實(shí)現(xiàn)發(fā)散冷卻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)段設(shè)置紅外攝像窗口，用于紅外相機(jī)記錄金屬絲網(wǎng)表面的溫度分布。

2.5 溫度壓力測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中，溫度和壓力的測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。主流和冷氣溫度采用熱電偶測(cè)量，經(jīng)VB程序采集；主流和冷氣壓力采用羅斯蒙特壓力傳感器測(cè)量；金屬絲網(wǎng)表面溫度通過紅外測(cè)試技術(shù)測(cè)量。對(duì)金屬絲網(wǎng)表面噴黑漆，使金屬絲網(wǎng)與石蠟在實(shí)驗(yàn)條件下具有相同的發(fā)射率。

實(shí)驗(yàn)中石蠟顆粒粒徑用馬爾文粒度儀測(cè)量。采用北京航空航天大學(xué)自主設(shè)計(jì)的雙目光柵投影儀(圖5)，基于激光三角法測(cè)量原理，精確測(cè)量金屬絲網(wǎng)表面沉積物的沉積分布特性。

2.6 尾氣處理系統(tǒng)

尾氣處理系統(tǒng)包括鋁制排煙管和布袋除塵器，其主要功能是將殘留在主流中的石蠟顆?；厥仗幚?。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中，發(fā)散冷卻效率定義為：

式中：Tg為主流溫度，Tc為冷氣溫度，Tw為壁面溫度。

吹風(fēng)比定義為：

式中：A為通道面積，下標(biāo)g、c分別代表主流和冷氣。

本實(shí)驗(yàn)工況為：主流流量100 kg/h，冷氣流量10 kg/h；主流溫度313 K，冷氣溫度283 K；主流雷諾數(shù)1.1×105；吹風(fēng)比0.05。石蠟融點(diǎn)317 K，流量為6 ml/min。

3.1 顆粒沉積

斯托克斯數(shù)作為表征顆粒在流體中行為的無量綱參數(shù)[13]，定義式為：

當(dāng)Stk≤1時(shí)，顆粒易跟隨流體運(yùn)動(dòng)；反之，Stk越大(Stk＞1)顆粒慣性越大，顆粒運(yùn)動(dòng)的跟隨性越不明顯。

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中顆粒物的斯托克斯數(shù)在1～150范圍內(nèi)。本實(shí)驗(yàn)中以金屬絲網(wǎng)平均孔徑90 μm作為特征長(zhǎng)度lc，為滿足特征參數(shù)相似，實(shí)驗(yàn)中通過控制噴霧系統(tǒng)的氣液比來實(shí)現(xiàn)。石蠟顆粒的粒徑分布如圖6所示。由圖可知：顆粒粒徑主要分布在40～100 μm范圍內(nèi)，粒徑中值約為55 μm，中值粒徑斯托克斯數(shù)為82。

噴霧前后，金屬絲網(wǎng)表面形貌如圖7所示?？梢杂^察到，噴霧后，顆粒沉積在實(shí)驗(yàn)件表面，且不同區(qū)域的沉積情況不同。沿主流方向，顆粒沉積的厚度逐漸減小。

圖8為雙目光柵投影儀測(cè)量的不同噴霧時(shí)間下石蠟顆粒在金屬絲網(wǎng)表面的沉積分布。由圖可看出，金屬絲網(wǎng)前緣因氣膜覆蓋率低，溫度高，該區(qū)域石蠟顆粒的附著性更強(qiáng)，沉積出現(xiàn)較早，且厚度高于金屬絲網(wǎng)下游區(qū)域。由于顆粒的沉積具有隨機(jī)性，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)件表面各區(qū)域均有不同程度的顆粒堆積。在實(shí)驗(yàn)件中線區(qū)域，顆粒的積聚更為明顯，厚度也明顯高于其他區(qū)域。

圖9反映了不同噴霧時(shí)間下實(shí)驗(yàn)件表面顆粒沉積的質(zhì)量變化規(guī)律。圖中1、2、3表示每個(gè)噴霧時(shí)長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)。由圖可看出，隨著噴霧時(shí)間的增加，沉積物的質(zhì)量隨之增加，且增長(zhǎng)趨勢(shì)非線性。噴霧前期，因冷卻氣膜的存在，沉積物積聚比較緩慢。隨著噴霧時(shí)間的增加，由于早期部分石蠟的沉積，加劇了后續(xù)沉積物的堆積。當(dāng)沉積達(dá)到一定厚度時(shí)，沉積物的繼續(xù)堆積受主流和冷氣流動(dòng)的影響更加明顯，沉積積聚速度減慢。

3.2 金屬絲網(wǎng)表面溫度分布

圖10顯示了不同噴霧時(shí)間下金屬絲網(wǎng)表面的溫度分布（圖中X為主流流向，Y為展向）。無沉積時(shí)，實(shí)驗(yàn)件表面溫度沿主流流向逐漸降低。這是由于冷氣流出實(shí)驗(yàn)件外表面后，在主流的作用下沿流向逐漸增厚，減小了實(shí)驗(yàn)件下游區(qū)域與主流的熱量傳遞，發(fā)散冷卻效率隨之提高。隨著沉積物的產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)件表面溫度分布發(fā)生了變化。由于沉積物堵塞了發(fā)散冷卻的冷氣通道，使得當(dāng)?shù)氐睦鋮s效率明顯降低，而隨著沉積厚度的增加這一趨勢(shì)更加明顯。當(dāng)沉積厚度大于金屬絲網(wǎng)表面覆蓋的氣膜厚度時(shí)，溫度會(huì)急劇增加至接近主流溫度。同時(shí)，由于局部產(chǎn)生的孔隙堵塞，使得流動(dòng)阻力增加，冷氣的流動(dòng)方向發(fā)生改變，本應(yīng)從被堵塞孔隙流出的冷氣從沉積物附近的孔隙流出，導(dǎo)致沉積物周圍孔隙的冷氣流量增加，從而使該區(qū)域的冷卻效率提升——這一現(xiàn)象在沉積物較厚的區(qū)域尤為明顯，在沉積物較薄的區(qū)域不明顯。但總體看，由于顆粒物的沉積導(dǎo)致發(fā)散冷卻氣膜結(jié)構(gòu)被破壞，使得整個(gè)區(qū)域的冷卻不均勻，冷卻效率反而降低。

3.3 顆粒沉積對(duì)冷卻效率的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)件表面的溫度分布，可計(jì)算得到其冷卻效率分布，見圖11?？砂l(fā)現(xiàn)，顆粒沉積在金屬絲網(wǎng)表面后，使得各處的冷卻效率有不同程度改變。

為進(jìn)一步探究顆粒沉積分布對(duì)發(fā)散冷卻效率的影響，定義實(shí)驗(yàn)件各處冷卻效率減小值為沉積前、后冷卻效率之差。冷卻效率減小值可反映出各處因顆粒沉積導(dǎo)致的冷卻效率變化。

圖12、圖13分別示出了沿流向中心線和展向截面(距實(shí)驗(yàn)件前緣1 cm)處，顆粒沉積前后冷卻效率的變化與沉積厚度的分布，對(duì)比了沉積厚度對(duì)冷卻效率變化的影響。由圖可看出，沉積厚度的分布與冷卻效率的變化規(guī)律基本一致。當(dāng)沉積厚度較小時(shí)，沉積物對(duì)冷氣的流動(dòng)影響較小，當(dāng)?shù)氐睦鋮s效率會(huì)產(chǎn)生小幅波動(dòng)。當(dāng)沉積厚度在1 mm以內(nèi)時(shí)，冷卻效率波動(dòng)保持在10%以內(nèi)。當(dāng)沉積厚度較大時(shí)，由于局部流動(dòng)阻力急劇增加，使得當(dāng)?shù)氐睦鋮s效率顯著降低，而緊鄰沉積物的區(qū)域因冷氣流量激增導(dǎo)致其冷卻效率增加。當(dāng)沉積厚度大于1 mm時(shí)，冷卻效率波動(dòng)明顯增加。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)方法，以熔融的石蠟噴霧作為沉積物，研究了金屬絲網(wǎng)發(fā)散冷卻的顆粒沉積規(guī)律及沉積分布對(duì)發(fā)散冷卻效率的影響特性。得出以下主要結(jié)論：

(1)顆粒物在金屬絲網(wǎng)表面的沉積量隨著時(shí)間的推移而增加，但隨著噴霧時(shí)間的增加沉積的增長(zhǎng)速度減慢。

(2)顆粒物的沉積會(huì)顯著影響發(fā)散冷卻效率，沉積造成的堵塞會(huì)導(dǎo)致金屬絲網(wǎng)內(nèi)部冷氣流動(dòng)分布發(fā)生改變，使當(dāng)?shù)乩鋮s效率顯著降低，而緊鄰沉積物的區(qū)域因冷氣流量增大導(dǎo)致冷卻效率升高。

(3)沉積物造成的發(fā)散冷卻流動(dòng)結(jié)構(gòu)的破壞，使整個(gè)金屬絲網(wǎng)表面不能得到有效、均勻的冷卻，影響發(fā)散冷卻效果。