沉積環(huán)境下渦輪葉片前緣氣膜冷卻的實(shí)驗(yàn)研究

楊曉軍，于天浩，胡英琦，常嘉文

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過程中，渦輪部件會(huì)受到污染物的沉積、腐蝕和侵蝕。當(dāng)飛機(jī)在起降或低空飛行時(shí)，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)往往會(huì)吸入灰塵、砂礫或其他顆粒物，特別是在沙漠或火山活躍地區(qū)。此外，航空燃料在高溫環(huán)境下生成的金屬化合物的副產(chǎn)物，也是極易沉積的顆粒物。其中，釩燃燒的產(chǎn)物V2O3會(huì)在渦輪葉片上沉積，在過剩熱空氣流條件下，氧化成V2O5，易與基體鎳合金形成低熔點(diǎn)的共晶化合物。無論是吸入外界污染物還是航空燃料燃燒，所產(chǎn)生的顆粒物都會(huì)在渦輪葉片上產(chǎn)生沉積現(xiàn)象，其中，在高壓渦輪第一級(jí)靜葉的沉積最為明顯。沉積會(huì)導(dǎo)致渦輪葉片表面粗糙度增大、氣膜冷卻效率降低，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致熱障涂層脫落的現(xiàn)象出現(xiàn)。

目前，對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的沉積研究主要分為2種：實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)研究主要包括3種：全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)沉積實(shí)驗(yàn)、加速沉積實(shí)驗(yàn)及熔融石蠟顆粒沉積實(shí)驗(yàn)。Dunn等［1］分別對(duì)TF33渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和J57渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了灰塵環(huán)境下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退情況。Kim等［2］使用2種不同的火山灰，在真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下，研究了燃燒室和高壓渦輪葉片處顆粒物的熔化和沉積情況。Jensen等［3］開發(fā)了一種渦輪加速沉積設(shè)備（TADF），利用該設(shè)備，通過匹配燃?xì)廨啓C(jī)凈外來顆粒通過量、顆粒撞擊角度、氣流的馬赫數(shù)及溫度，可以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件下短時(shí)間的沉積近似匹配真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的長時(shí)間沉積。Bons等［4］利用渦輪加速沉積設(shè)備，分別研究了4種不同燃料灰分在有熱障涂層（TBC）試件上的沉積情況，研究發(fā)現(xiàn)，相比于化石燃料，生物質(zhì)的燃料（鋸末和稻草）所產(chǎn)生的灰分更不易沉積，此外，實(shí)驗(yàn)通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，顆粒物的捕獲率和試件表面的熔融態(tài)的沉積層有關(guān)。Sundaram 等［5］為研究渦輪葉片壓力側(cè)端壁處的沉積對(duì)渦輪部件氣膜冷卻的影響開展了實(shí)驗(yàn)研究，通過在氣膜孔的上游和下游放置障礙物，研究了不同沉積區(qū)域?qū)饽だ鋮s的影響，同時(shí)還研究了沉積情況下，冷卻氣流流量對(duì)冷卻效率的影響。Crosby等［6］利用渦輪加速沉積設(shè)備，通過匹配高壓渦輪第一級(jí)葉片氣體的溫度和速度，研究了顆粒物粒徑、主流溫度、金屬試件溫度對(duì)2種不同發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的灰分在熱障涂層上的沉積的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較大直徑的顆粒捕獲更高，在4 h的實(shí)驗(yàn)中，較大顆粒造成了熱障涂層的顯著脫落，還發(fā)現(xiàn)隨著冷卻水平的提高，熱障涂層損傷隨之減弱。Ai等［7］在渦輪加速沉積設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究了不同粒徑和氣膜孔溝槽配置對(duì)氣膜孔附近沉積的影響，實(shí)驗(yàn)中顆粒物表面的溫度云圖通過相機(jī)的RGB信號(hào)測(cè)量獲得，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較小顆粒更容易牢固地沉積在試件表面，但是較小顆粒的捕獲效率要比較大顆粒低，尤其是在較小的吹風(fēng)比下，此外，溝槽設(shè)計(jì)提高了氣膜冷卻效率，但同時(shí)溝槽也更易捕獲顆粒物。Smith等［8］開發(fā)了針對(duì)葉柵通道的沉積實(shí)驗(yàn)設(shè)備（TuRFR），該設(shè)備與渦輪加速沉積設(shè)備類似，能夠產(chǎn)生很高的溫度，利用該設(shè)備，對(duì)真實(shí)渦輪導(dǎo)向器處的沉積進(jìn)行了相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)表明，顆粒物的沉積與主流溫度有密切的關(guān)系，降低主流溫度可以顯著減少顆粒物的沉積，研究還發(fā)現(xiàn)沉積后，葉片尾緣處的粗糙度變化最大。

Lawson和Thole［9］開發(fā)了一種針對(duì)渦輪葉片中的石蠟噴涂裝置，該裝置利用石蠟隨溫度變化而發(fā)生的相態(tài)變化來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中顆粒物的相變，實(shí)驗(yàn)主要研究了渦輪導(dǎo)向器端壁處的沉積對(duì)氣膜冷卻的影響，實(shí)驗(yàn)表明，端壁處沉積對(duì)氣膜冷卻影響很大，由于沉積而導(dǎo)致的氣膜冷卻效率衰減最大可達(dá)30%。Lawson團(tuán)隊(duì)［9-10］利用石蠟沉積設(shè)備，研究了開槽氣膜孔在沉積環(huán)境下的冷卻效率變化，采用了3種不同的開槽氣膜孔，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在槽深為氣膜孔徑的0.8倍時(shí)，氣膜冷卻效率最高，受到沉積的影響也最小，在動(dòng)量通量比為0.23時(shí)，沉積后開槽的氣膜孔冷卻效率要比未開槽少下降15%。Albert和Bogard［11］開發(fā)了一種類似的石蠟沉積設(shè)備，該設(shè)備選用石蠟顆粒，通過將石蠟顆粒加熱至熔融態(tài)，來近似模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的顆粒物，利用石蠟顆粒，通過匹配真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中顆粒物的斯托克斯數(shù)，來模擬顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡。Albert和Bogard［11］通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在冷卻射流之間的位置產(chǎn)生最厚的沉積物，同時(shí)，葉片表面溫度對(duì)沉積有很大影響，較低的表面溫度可以抑制沉積的生長，并且存在閾值溫度，當(dāng)溫度超過該閾值時(shí)，沉積厚度顯著增大。Albert團(tuán)隊(duì)［11］研究了葉片壓力側(cè)氣膜冷卻在沉積環(huán)境下的變化，實(shí)驗(yàn)中采用了和實(shí)際葉片Biot數(shù)相同的試件，以及標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形氣膜孔和開槽氣膜孔，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，開槽氣膜孔的槽內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較明顯的沉積覆蓋，但相比于冷卻射流之間的沉積厚度要小。Ai等［12］利用渦輪加速沉積設(shè)備研究了孔間距、熱障涂層對(duì)沉積的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于裸金屬，在熱障涂層上的沉積物更加堅(jiān)韌，更難除去，另外，沉積受孔間距的影響并不明顯，但受吹風(fēng)比的影響很大。

國內(nèi)對(duì)相關(guān)研究開展較晚，楊曉軍和祝佳雄［13］通過不同主流問題和粒徑對(duì)此進(jìn)行了研究，裴鈺［14］在后續(xù)研究中提出了改進(jìn)的沉積模型。劉振俠等［15］對(duì)不同迎角和來流濃度等進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。張靖周等［16］主要對(duì)氣膜孔阻塞對(duì)氣膜冷卻及沉積的影響進(jìn)行了研究。隨著環(huán)境的惡化及目前航空燃油的不易替代性，沉積仍是影響飛行安全的因素之一，其中，渦輪葉片前緣的沉積十分嚴(yán)重。本文主要對(duì)渦輪葉片的沉積及氣膜冷卻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，探討不同因素對(duì)沉積和冷卻效率的影響，為氣膜孔的相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)利用小型開式風(fēng)洞設(shè)備，搭載顆粒物發(fā)生裝置，近似模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物沉積過程，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括主流系統(tǒng)、冷卻氣流系統(tǒng)、顆粒物發(fā)生系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在主流系統(tǒng)中，由于鼓風(fēng)機(jī)的吸力，外界空氣被吸入主流系統(tǒng)的管道中，并進(jìn)入加熱罐中加熱，實(shí)驗(yàn)從而獲得較高溫的主流氣體，其中主流流速為3 m／s，主流溫度控制在55～65℃；在冷卻氣流系統(tǒng)中，空氣進(jìn)入壓縮機(jī)后壓力升高至0.4 MPa，后進(jìn)入恒溫冷卻箱進(jìn)行充分冷卻，冷卻氣流流速為2.65 m／s，冷卻氣流溫度為25℃。顆粒物發(fā)生系統(tǒng)中，石蠟由加熱罐加熱至液態(tài)后，由氣動(dòng)雙隔膜泵泵入石蠟霧化噴嘴，石蠟最終由噴嘴進(jìn)入流道和主流空氣摻混，其中霧化噴嘴直徑為0.6 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental device

采用空心圓柱形狀實(shí)驗(yàn)件近似模擬渦輪葉片前緣，實(shí)驗(yàn)件示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)件的氣膜孔孔徑為D，射流角度為α，孔間距為p，氣膜孔間距比為p／D＝3.2，實(shí)驗(yàn)件長L＝185 mm，實(shí)驗(yàn)件外徑D1＝27 mm，內(nèi)徑D2＝19 mm，氣膜孔排間角度β＝30°。

圖2 圓柱實(shí)驗(yàn)件示意圖Fig.2 Sketch map of cylinder experimental piece

1.2 紅外熱像儀發(fā)射率校準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)中，為確保實(shí)驗(yàn)件表面沉積物的完整性，溫度測(cè)量采用無接觸式的紅外熱像儀測(cè)溫法，實(shí)驗(yàn)所采用的紅外熱像儀為NEC公司的R300SR型，測(cè)溫范圍為－40～500℃，測(cè)量精度為±1℃。在測(cè)溫過程中，為減弱外界的影響，紅外熱像儀的鏡頭前加裝ZnSe窗口。另外，實(shí)驗(yàn)件也進(jìn)行了氧化發(fā)黑的處理，以此保證實(shí)驗(yàn)件表面發(fā)射率盡可能接近1。為保證紅外測(cè)溫的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行溫度標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)件表面同一位置的溫度通過紅外熱像儀和K型熱電偶2種方式測(cè)得，對(duì)應(yīng)的方差分別為0.03和0.08，對(duì)2種方式獲得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和擬合，獲得的溫度標(biāo)定曲線如圖3所示。

圖3 紅外熱像儀溫度標(biāo)定曲線Fig.3 Temperature calibration curve of thermal infrared imager

1.3 顆粒物沉積模擬與分析

在顆粒物沉積方面，實(shí)驗(yàn)采用58號(hào)石蠟作為模擬顆粒，并從顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡和顆粒物的相態(tài)變化兩方面對(duì)顆粒物進(jìn)行了模擬。

在顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡方面，Davidson等［17］在研究發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的顆粒物時(shí)，通過匹配斯托克斯數(shù)（Stk），來近似發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡。斯托克斯數(shù)的定義式為

式中：ρp為顆粒密度；dp為顆粒粒徑；up為顆粒速度；μ為動(dòng)力黏度；lc為特征長度。

Lawson和Thole［9］對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的顆粒物進(jìn)行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)其斯托克斯數(shù)在0.004～40之間。在本文實(shí)驗(yàn)中，為了更準(zhǔn)確地匹配顆粒物的斯托克斯數(shù)，實(shí)驗(yàn)通過電子顯微鏡對(duì)通入主流中的石蠟顆粒的粒徑進(jìn)行了測(cè)量和匯總，沉積的石蠟顆粒在掃描電鏡下的形貌如圖4所示。圖5為石蠟顆粒沉積粒徑分布?？芍?，實(shí)驗(yàn)中的石蠟顆粒直徑dp＝1～120μm，其中，顆粒粒徑主要分布在10～20μm。

圖4 石蠟顆粒物掃描電鏡圖Fig.4 SEM of paraffin particles

圖5 石蠟顆粒沉積粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of paraffin deposition

表1為顆粒物性和縮放參數(shù)對(duì)照?？芍?，實(shí)驗(yàn)中斯托克斯數(shù)范圍在0.003～40，與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的0.004～40基本吻合。因此，實(shí)驗(yàn)中石蠟顆粒的隨流特性滿足近似匹配發(fā)動(dòng)機(jī)中顆粒物的隨流性，顆粒物在接觸到實(shí)驗(yàn)件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向也得以模擬，進(jìn)而模擬了真實(shí)情況下顆粒物的撞擊概率。

表1 顆粒物性和縮放參數(shù)對(duì)照Table 1 Contrast of particle pr operties and scaling parameters

在顆粒物的相態(tài)變化方面，研究將顆粒物的相態(tài)變化近似分為2個(gè)過程。當(dāng)顆粒物進(jìn)入主流后，第1個(gè)過程是顆粒物向主流散熱，溫度隨時(shí)間成指數(shù)式降低，直至溫度降至固化溫度，石蠟顆粒的初始溫度和固化溫度如表1所示；第2個(gè)過程是顆粒物保持溫度不變，自身的熔解潛熱向主流釋放，直到全部釋放。2個(gè)過程所需要的時(shí)間分別用t1和t2表示：

式中：Cp為顆粒物的比熱容；Vp為顆粒物的體積；Ap為顆粒物的表面積；h為對(duì)流換熱系數(shù)；Tp，s為顆粒固化溫度；Tp，i為顆粒初始溫度；T∞為主流溫度；hfus為顆粒的熔解潛熱。

顆粒物的固化時(shí)間和顆粒物輸運(yùn)的時(shí)間值之比，即為可以描述顆粒物物態(tài)變化的熱縮放系數(shù)（TSP），TSP的計(jì)算公式如下：

式中：Lp為顆粒物進(jìn)入主流運(yùn)動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)距離；U∞為顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度，在計(jì)算時(shí)近似等于主流的速度。通過改變顆粒行程，來調(diào)整TSP的范圍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1）氣膜冷卻效率

實(shí)驗(yàn)研究著重關(guān)注沉積對(duì)氣膜冷卻的影響，為對(duì)實(shí)驗(yàn)件的氣膜冷卻效果進(jìn)行較為準(zhǔn)確的比較，采用氣膜冷卻效率來準(zhǔn)確反映氣膜冷卻的效果。氣膜冷卻效率［22］是反映氣膜冷卻效果的重要參數(shù)，其表達(dá)式為

式中：Taw為理論的絕熱壁溫；T2為冷卻氣流溫度。

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)段采用保溫隔熱裝置包裹，將實(shí)驗(yàn)段與外界空氣隔離，盡量減少與外界的換熱。實(shí)驗(yàn)中氣膜冷卻效率公式為

式中：Tw為實(shí)驗(yàn)件的壁面溫度。

氣膜冷卻效率表示了氣膜冷卻的效果。η值越高，冷卻效果越好。

2）沉積率

為了定量衡量顆粒物在實(shí)驗(yàn)件表面的沉積情況，實(shí)驗(yàn)采用沉積率C這一參數(shù)。沉積率顯示了有多少質(zhì)量的顆粒物沉積在實(shí)驗(yàn)件的表面。沉積率的定義式如下：

式中：md為沉積在實(shí)驗(yàn)件表面的顆粒物的總質(zhì)量；mt為進(jìn)入主流的顆粒物的總質(zhì)量。其中，md可通過實(shí)驗(yàn)前后實(shí)驗(yàn)件的質(zhì)量作差獲得，mt根據(jù)顆粒物的粒徑分布計(jì)算獲得。

3）吹風(fēng)比

通過氣膜孔的冷卻氣流流量直接影響冷卻氣流和主流的摻混形式，進(jìn)而影響壁面的冷卻效果，吹風(fēng)比是氣膜冷卻的常用術(shù)語，其意義是冷卻氣流和主流的密流比。

式中：ρc為冷卻氣流的密度；uc為冷卻氣流的速度；ρ∞為主流的密度；u∞為主流的速度。

1.5 誤差分析

實(shí)驗(yàn)主要對(duì)溫度和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于溫度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)主要采用紅外熱像儀和熱電偶2種方式，熱電偶采用K型，實(shí)驗(yàn)誤差為±0.1℃。實(shí)驗(yàn)件表面溫度主要由紅外熱像儀測(cè)量，測(cè)量誤差為±1℃。實(shí)驗(yàn)中主流氣體和冷卻氣流氣體的溫度由熱敏風(fēng)速儀測(cè)量，其誤差為±1℃。質(zhì)量數(shù)據(jù)主要由電子天平秤獲得，精度為0.01 g。根據(jù)誤差傳遞原理，氣膜冷卻效率和沉積率的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為10%和8.2%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同主流溫度對(duì)沉積的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，渦輪葉片表面的顆粒物沉積受到多因素的影響，其中燃?xì)鉁囟仁亲钪饕挠绊懸蛩刂?。?shí)驗(yàn)觀測(cè)了主流溫度對(duì)沉積的影響，主流溫度設(shè)定為50℃、55℃、60℃、65℃，沉積時(shí)間設(shè)定為2 min。沉積后的實(shí)驗(yàn)件表面形貌如圖6所示。

由圖6可知，在主流溫度為50℃時(shí)，石蠟顆粒的沉積明顯，根據(jù)顯微圖像可知，顆粒物的狀態(tài)為固態(tài)，顆粒形狀大多數(shù)為球形。主流溫度為55℃時(shí)，石蠟覆蓋更加致密，且顯微圖像顯示，顆粒物的狀態(tài)為熔融狀態(tài)，形狀多為不規(guī)則形狀。主流溫度為60℃時(shí)，石蠟沉積覆蓋稀疏，顆粒物多為較大的顆粒物。主流溫度為65℃時(shí)，石蠟顆粒物全為液態(tài)，沉積后的表面光滑透明，顯微圖像表明，液態(tài)顆粒物在實(shí)驗(yàn)件表面存在流動(dòng)的現(xiàn)象。通過比較不同溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，主流溫度從50℃到65℃，沉積在實(shí)驗(yàn)件實(shí)驗(yàn)件表面的顆粒物從固態(tài)球形逐漸變?yōu)橐簯B(tài)不規(guī)則形，沉積的覆蓋程度先增大后變小。

圖6 不同主流溫度下石蠟顆粒沉積形貌圖Fig.6 Morphology of paraffin particle deposition at different mainstream temperatures

圖7為不同主流溫度下的沉積率數(shù)據(jù)?？芍?，主流溫度為60℃時(shí)，沉積率最高，為4.14%，主流溫度為50℃時(shí)，沉積率最低，為2.71%，兩者相差1.43%。同時(shí)，溫度在60℃以上時(shí)的沉積率要高于60℃以下的沉積率，這主要是因?yàn)槭灥娜诨瘻囟葹?8℃，主流溫度在58℃以上，熱縮放系數(shù)均大于1，即顆粒物始終處于熔融態(tài)或液態(tài)，黏性較大，因此在高溫情況下的沉積率較低溫情況要高。相比于60℃，主流溫度在65℃時(shí)的沉積率偏低，這主要是因?yàn)轭w粒物在輸運(yùn)過程中大部分為液態(tài)，這導(dǎo)致大量顆粒物在未運(yùn)動(dòng)至實(shí)驗(yàn)件時(shí)即黏附在實(shí)驗(yàn)段的壁面上。而對(duì)于60℃以下的2種主流溫度，溫度越高，石蠟顆粒物的黏性越高，當(dāng)顆粒物和實(shí)驗(yàn)件發(fā)生碰撞時(shí)黏附的概率就越高，沉積率就越高。

圖7 沉積率隨主流溫度的變化Fig.7 Deposition rate varying with mainstream temperature

2.2 氣膜孔射流角度對(duì)氣膜冷卻和沉積的影響

實(shí)驗(yàn)研究了氣膜孔在不同射流角度下，沉積率和氣膜冷卻的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)采用孔徑為3 mm的圓柱形氣膜孔實(shí)驗(yàn)件，吹風(fēng)比M ＝1，顆粒物沉積時(shí)間為2 min。圖8分別為25°、45°、65°三種不同射流角度下實(shí)驗(yàn)件沉積前后的形貌。

從圖8中觀察到，在氣膜孔的下游，沉積覆蓋量明顯減少。這主要是由于冷卻氣膜的形成，冷卻氣流在壁面處的剪切速度會(huì)改變較小顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡，且冷卻氣流溫度較低，降低了顆粒物的溫度，從而使顆粒物的黏度降低，黏附概率下降。此外，氣膜孔附近的沉積減少區(qū)域和氣膜孔出口的射流方向存在一定的夾角，主要原因是：在主流的作用下，冷卻射流流線沿著壁面向主流方向偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致沉積較少的區(qū)域出現(xiàn)在氣膜孔的斜后方。滯止線處的冷卻氣膜偏轉(zhuǎn)程度要比兩側(cè)的氣膜孔小，主要原因是：在壁面滯止線處的主流氣流方向是垂直于壁面，周向流動(dòng)的影響較上下兩排氣膜孔處小。

圖8 不同射流角度下氣膜冷卻圓柱表面沉積前后形貌圖Fig.8 Morphology of film cooling cylinder surface before and after deposition at different jet angles

圖9為3種不同氣膜孔射流角度下的氣膜冷卻效率云圖。圖中橫坐標(biāo)表示測(cè)溫點(diǎn)距氣膜孔的距離X和孔徑D（3 mm）之比?？梢杂^察到，滯止線處氣膜孔出口處的氣膜冷卻效率最高，在每兩氣膜孔之間，氣膜冷卻效率隨X／D的增大而減小。根據(jù)沉積后的云圖發(fā)現(xiàn)，從氣膜孔內(nèi)射出的冷卻射流的軌跡發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，并且隨著射流角度的減小，y軸方向速度分量越小，與主流摻混后，更易發(fā)生貼近壁面的折轉(zhuǎn)，從而更好地附在圓柱表面。相同氣膜孔位置處，當(dāng)射流角度為25°時(shí)，氣膜冷卻的效果最好，通過冷卻效率云圖可見，冷卻氣膜的區(qū)域較其他2種角度更大，同時(shí)氣膜覆蓋區(qū)域的冷卻效率較另2種工況更高。綜上，射流角度不斷增大，氣膜覆蓋區(qū)域逐漸變小，氣膜覆蓋區(qū)域的氣冷效率也更低。

圖9 不同射流角度下氣膜冷卻圓柱表面沉積前后氣膜冷卻效率云圖Fig.9 Contour of film cooling efficiency before and after deposition of film cooling cylinder surface at different jet angles

圖10給出了不同氣膜孔射流角度下，沉積前滯止線處氣膜冷卻效率的曲線。圖11為沉積條件下，滯止線處的氣膜冷卻效率曲線。由圖10和圖11可以看出，在兩氣膜孔之間，無論射流角度大小，氣膜冷卻效率基本是隨X／D增大而減小，同時(shí)氣膜冷卻效率的整體趨勢(shì)也是隨X／D的增大而減小。主要原因是：冷卻氣流通過每個(gè)氣膜孔之后流量都會(huì)有所衰減，導(dǎo)致在X／D越大位置的氣膜孔，冷卻氣流壓力越小，冷卻氣流流量減小，氣膜冷卻效率降低。無論沉積前還是沉積后，在大部分位置，射流角度為25°時(shí)的氣膜冷卻效率均最高，射流角度為65°的氣膜冷卻效率最低，無沉積條件下，兩者最大相差5.6%，在沉積后，最大相差6.8%。沉積前后，在相同位置，相同工況下氣膜冷卻效率最大相差11.6%。由圖10可得，在測(cè)溫點(diǎn)X／D＝10、11、12處，射流角度為65°的氣膜冷卻效率要比45°時(shí)的高，主要原因可能是65°的氣膜孔噴出的冷卻氣流在主流的壓迫下產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)度較小的氣膜覆蓋，并在氣膜孔的四周產(chǎn)生了氣膜覆蓋，在氣膜孔X／D方向產(chǎn)生了較好的氣膜冷卻效果，此現(xiàn)象可通過沉積后的形貌圖來觀察，如圖8的A區(qū)域，在氣膜孔周圍，有一圈沉積減弱區(qū)。由圖11可得，在測(cè)溫點(diǎn)X／D＝4、7、10位置處，射流角度45°的冷卻效率要比射流角度25°的高，主要原因是25°的氣膜孔出口面積較大，冷卻氣流在氣膜孔處偏轉(zhuǎn)較大，在相同的冷卻氣流流量下，沿X／D方向的冷卻氣流流量較45°的小，氣膜效果較差。

圖10 沉積前不同射流角度下滯止線上的氣膜冷卻效率曲線Fig.10 Film cooling efficiency curves of stagnation line at different jet angles before deposition

圖11 沉積后不同射流角度下滯止線上的氣膜冷卻效率曲線Fig.11 Film cooling efficiency curves of stagnation line at different jet angles after deposition

圖12為沉積率隨射流角度變化的曲線?？芍?，沉積率隨著射流角度的增大而升高，射流角度為65°時(shí)的沉積率最大，為0.81%，射流角度為25°時(shí)沉積率最小，為0.41%，兩者相差0.4%。相對(duì)于45°、65°，25°的射流角度產(chǎn)生的氣膜范圍更大，冷卻效果更好，根據(jù)相同孔徑不同射流角度的無沉積情況下的實(shí)驗(yàn)，25°射流角度下實(shí)驗(yàn)件的溫度為43.7℃，低于45°時(shí)的44.7℃及65℃時(shí)的44.6℃，25°的實(shí)驗(yàn)件表面溫度更低，從而當(dāng)有顆粒撞擊時(shí)，顆粒物和實(shí)驗(yàn)件表面碰撞之后的黏附概率較另外2種射流角度低。同時(shí)，射流角度越貼近實(shí)驗(yàn)件表面，冷卻氣流所產(chǎn)生的剪切力越大，從而導(dǎo)致將要撞向?qū)嶒?yàn)件的較小顆粒物，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，從而隨主流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生碰撞，而較大的顆粒物在黏附之后，在主流和冷卻氣流的雙重剪切力的作用下可能會(huì)發(fā)生剝離現(xiàn)象。

圖12 沉積率隨射流角度的變化Fig.12 Deposition rate varying with jet angle

2.3 氣膜孔孔徑對(duì)氣膜冷卻和沉積的影響

實(shí)驗(yàn)研究了氣膜孔不同孔徑下，氣膜冷卻效率和沉積率的變化規(guī)律。在保持氣膜孔間距比一定的情況下，分別對(duì)1.5、3、4.5 mm三種孔徑大小的圓柱實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中射流角度α＝25°，吹風(fēng)比M＝1，沉積時(shí)間為2 min。

圖13為不同氣膜孔孔徑的實(shí)驗(yàn)件沉積前后的形貌圖。觀察可知，無論孔徑大小，滯止線處的氣膜孔產(chǎn)生的氣膜覆蓋均不明顯，在滯止線上下兩排氣膜孔產(chǎn)生的氣膜分別向上下2個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，其中孔徑為1.5 mm的氣膜孔產(chǎn)生的氣膜偏轉(zhuǎn)程度最小，孔徑越大，氣膜形成的區(qū)域越偏離射流方向，孔徑為4.5 mm時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度約為90°。

圖13 不同氣膜孔孔徑下氣膜冷卻圓柱表面沉積前后形貌圖Fig.13 Morphology of film cooling cylinder surface before and after deposition at different film pore diameters

圖14為氣膜冷卻條件下的氣膜冷卻效率云圖。橫坐標(biāo)是測(cè)溫點(diǎn)距氣膜孔的距離X與氣膜孔D（4.5 mm）的比值。觀察可知，沉積前后實(shí)驗(yàn)件溫度差異明顯，在相同位置處溫度相差2～3℃?？讖綖?.5 mm的氣膜孔產(chǎn)生的氣膜最為明顯，且單個(gè)氣膜延伸范圍最廣，孔徑越小，單個(gè)氣膜覆蓋區(qū)域越小。

圖14 不同氣膜孔孔徑下氣膜冷卻圓柱表面沉積前后氣膜冷卻效率云圖Fig.14 Contour of film cooling efficiency before and after deposition of film cooling cylinder surface at different film pore diameters

圖15為無沉積情況下滯止線上的氣膜冷卻效率的曲線。

圖15 沉積前不同氣膜孔孔徑下滯止線上的氣膜冷卻效率曲線Fig.15 Film cooling efficiency curves of stagnation line at different film pore diameters before deposition

圖16為沉積情況下滯止線上的氣膜冷卻效率的曲線?？芍瑲饽だ鋮s效率的變化趨勢(shì)受沉積影響較小，沉積前和沉積后，在兩氣膜孔之間，距離氣膜孔越近，冷卻效率都是更高。在同一測(cè)溫點(diǎn)，由于沉積后沉積物的影響，沉積后的氣膜冷卻效率更低。在相同位置，氣膜冷卻效率在沉積前比沉積后最多高出10.4%。無論沉積與否，孔徑為4.5 mm 時(shí)的氣膜冷卻效率最高，孔徑為1.5 mm的次之，孔徑為3 mm的氣膜冷卻效率最小。在相同位置，無沉積情況下，4.5 mm氣膜冷卻效率比3 mm的氣膜冷卻效率最大高3.6%。沉積情況下，兩者相差最大為3.2%。

圖16 沉積后不同氣膜孔孔徑下滯止線上的氣膜冷卻效率曲線Fig.16 Film cooling efficiency curves of stagnation line at different film pore diameters after deposition

圖17為沉積率隨氣膜孔孔徑變化的曲線?？芍?，在射流角度為25°的情況下，氣膜孔孔徑為1.5 mm時(shí)，沉積率最大，為0.72%，氣膜孔孔徑為3 mm 時(shí)，沉積率最小，為0.41%，兩者相差0.31%。由此可見，雖然孔徑為1.5 mm時(shí)，氣膜孔的數(shù)量較多，但沉積率較高，氣膜孔對(duì)顆粒物的沉積抑制作用較差。

圖17 沉積率隨氣膜孔孔徑的變化Fig.17 Deposition rate varying with film pore diameter

3 結(jié) 論

本文實(shí)驗(yàn)通過研究顆粒物在圓柱狀實(shí)驗(yàn)件表面的沉積情況，得到以下結(jié)論：

1）主流溫度對(duì)顆粒物的沉積形貌有較大影響，主流溫度在50℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)件表面沉積物多為固態(tài)球形；在55℃時(shí)，沉積物為不規(guī)則熔融狀態(tài)；隨著溫度繼續(xù)升高至60℃、65℃時(shí)，沉積的覆蓋變稀疏，在65℃時(shí)，沉積表面顆粒物存在明顯的流動(dòng)現(xiàn)象。沉積率隨溫度先增大后變小，沉積率在60℃時(shí)最高，為4.14%。

2）隨著射流角度增大，在滯止線處的氣膜冷卻效率下降，沉積前，射流角度25°時(shí)的氣膜冷卻效率比65°的最多高2%，沉積后最大高5.6%。此外，沉積率隨射流角度的增大而升高，最高值和最低值相差0.4%。

3）隨著孔徑增大，單個(gè)氣膜孔的氣膜覆蓋區(qū)域增大。無論沉積與否，在滯止線處，氣膜孔孔徑為4.5 mm 的氣膜冷卻效率最高，1.5 mm 的次之，3 mm的最差。沉積前后，氣膜冷卻效率最大相差10.4%。相同位置，沉積前后，孔徑4.5 mm時(shí)的冷卻效率比3 mm最大相差3.6%和3.2%。同時(shí)，沉積率隨孔徑先減小后增大，在孔徑為3 mm時(shí)最低，最低為0.41%，在孔徑為1.5 mm時(shí)，沉積率最高，為0.72%。

4）在圓柱實(shí)驗(yàn)件表面，冷卻氣膜會(huì)由于主流的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在滯止線處，兩氣膜孔之間的氣冷效率隨X／D的增大而降低。