研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统及方法

摘要

本发明公开了一种研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统及方法，该系统包括主流系统、冷气系统、颗粒发生系统和测量系统。利用低熔点物质产生的颗粒，在常温条件下模拟大气环境中固体颗粒被吸入航空发动机涡轮叶栅中与冷气相互作用后的沉积效应。主流系统通过高压气体供应装置和加热器，为试验段提供高温主流气体，冷气系统通过供气腔为试验件表面的气膜孔提供冷气，颗粒发生系统在主流气体中释放颗粒，沉积在试验件表面后，通过测量系统中的红外热像仪和三维轮廓扫描仪进行测量，从而得到试验件表面气膜冷却有效度随沉积物厚度的变化规律，对于预测涡轮部件有效运行时长以及指导削弱沉积效应的气热设计具有重要的理论意义和工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于燃气涡轮技术领域，具体涉及研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统及方法，目的是为了在常温条件下模拟大气环境中固体颗粒被吸入航空发动机涡轮中沉积在叶栅表面后的沉积分布以及沉积物对于叶栅表面冷却性能的影响。

背景技术

在航空发动机涡轮中，由外界吸入的火山灰、沙粒和来自燃烧室的灰烬等颗粒物在高温高速燃气的作用下冲击叶片后十分容易形成表面沉积物，改变叶片型线，导致涡轮的气热性能发生退化，严重时堵塞气膜孔或冷却管网，造成叶片被高温烧蚀，严重影响航空发动机的安全性和可靠性。为了降低在实际航空发动机中进行颗粒物沉积效应研究的巨大成本以及耗时，同时为了匹配实际航空发动机中大流量工况，目前通常在常温条件下，采用模化的方式，通过低熔点物质模拟颗粒物在航空发动机涡轮叶栅中的沉积情况，从而得到沉积物对于涡轮叶栅气膜冷却有效度影响的一般性规律，为先进燃气涡轮的高效冷却设计提供理论依据。

目前关于涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验平台较少，其设计难点主要体现在以下几个方面：1.低熔点物质生成的颗粒物如何匹配实际航空发动机中颗粒物的运动工况；2.颗粒沉积后物体表面的沉积分布规律以及沉积厚度难以测量；3.沉积物附着在物体表面无法进行接触式测量，只能采用高精度的光学设备进行测量。

由于存在上述问题，因此需要设计更为合理的实验系统来测量颗粒物沉积效应影响下涡轮叶栅表面气膜冷却有效度。

发明内容

为了在常温条件下模拟大气环境中固体颗粒被吸入航空发动机涡轮中沉积在叶栅表面后的沉积分布以及沉积物对于叶栅表面冷却性能的影响，解决上述实验测量中的问题，本发明提出了研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统及方法，通过测量不同运行时长下涡轮叶栅表面的沉积分布形貌特征以及此时表面的冷却效率，得到沉积物对于涡轮叶栅气膜冷却有效度影响的一般性规律，为发展先进航空发动机高效冷却设计提供理论依据和数据支撑。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统，其特征在于，包括主流系统和冷气系统；所述的主流系统包括了高压气体供应装置及其出口连接的旁通管路和主流管路，主流管路中的高压气体经过加热器后进入试验段，试验段沿主流方向依次布置了整流网、湍流栅格、主流温度和速度测量装置和颗粒雾化喷嘴，试验段的下壁面安装了涡轮叶栅气膜冷却的试验件，试验件的正上方为红外窗口，红外窗口上方布置了三维轮廓扫描仪和红外热像仪；所述的冷气系统通过冷气供应装置及其出口连接的冷气管路与试验件的供气腔相连接，供气腔中布置热电偶测量冷气温度；

所述的主流温度和速度测量装置、三维轮廓扫描仪、红外热像仪和热电偶与电脑采集控制端相连，组成了实验系统中的测量系统；

所述的颗粒雾化喷嘴连接了颗粒供应装置，组成了实验系统中的颗粒发生系统。

具体的，高压气体供应装置包括依次连接的高压气源、冷干机和储气罐，储气罐出口分为旁通管路和主流管路，旁通管路设置了比例电磁调节阀，主流管路设置了主流进气阀。

具体的，高压气源产生的途径可以为压气机、空压机、鼓风机或储气瓶等设备产生的高压气体，高压气体的成分可以是空气、二氧化碳和氮气等气体中的一种或多种。

具体的，冷气供应装置包括依次连接的冷气气源、减压阀、压力表、过滤器和流量计。

具体的，冷气气源可以是空压机或储气瓶等设备产生的冷气，冷气的成分可以是空气、二氧化碳和氮气等气体中的一种或多种。

具体的，主流温度和速度测量装置放置在流道正中间，通过热电偶测量得到主流温度，通过毕托管或热线风速仪测量得到主流速度。

具体的，红外窗口为台阶结构，装配有台阶状的红外玻璃便于红外热像仪的测量，装配后红外玻璃内表面与试验段内表面平齐。

具体的，试验件为表面设置了若干气膜孔的涡轮叶片，涡轮叶片的下方为供气腔，试验件表面均匀喷涂了哑光黑漆以增大红外光的发射率，试验件与试验段连接处为台阶结构，装配后试验件的表面与试验段内表面平齐，目的是不影响主流的边界层流动。

本发明提供了利用所述实验系统的实验操作方法，包括：

开启主流系统及加热器，为试验件提供主流气体；

当主流温度和速度测量装置的参数以及试验件的表面温度在设定的时间内不再变化时，开启冷气系统，向试验件的供气腔提供冷气；

当试验件表面的温度稳定时，开始测量；

记录主流温度和速度测量装置测量的各个参数以及供气腔中热电偶的数值，同时由红外热像仪拍摄试验件表面温度的分布，根据以下公式计算得到试验件表面的综合气膜冷却有效度：

综合气膜冷却有效度＝(主流温度-试验件表面温度)/(主流温度-冷气温度)；

开启颗粒供应装置通过颗粒雾化喷嘴向下游喷蜡，经过预设时间后关闭颗粒供应装置；

利用三维轮廓扫描仪扫描得到此时试验件表面的颗粒物沉积分布；

具体的，通过调节比例电磁调节阀使得主流温度和速度测量装置的参数稳定在预设数值，从而确定主流工况；通过调节减压阀和流量计，获得匹配主流工况下的冷气流量。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明设置了颗粒供应装置以及颗粒雾化喷嘴，常温条件下模拟大气环境中固体颗粒被吸入航空发动机涡轮叶栅后在高温燃气和叶片冷却作用下发生的熔融和凝固沉积的过程；

(2)本发明设置了三维轮廓扫描仪，可以获得颗粒沉积后物体表面的沉积分布规律以及沉积厚度；

(3)本发明采用红外热像仪测量试验件表面温度分布，为非接触式光学测量，可以在颗粒物沉积的同时进行非稳态测量；

(4)本发明设置了加热器，通过调节加热器功率改变主流温度，进而可以测量温度对颗粒沉积特性的影响规律。

附图说明

图1为研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统示意图。

图2为试验件横截面与红外窗口及红外玻璃横截面示意图。

其中：1-高压气源；2-冷干机；3-储气罐；4-比例电磁调节阀；5-主流进气阀；6-加热器；7-整流网；8-湍流栅格；9-主流温度和速度测量装置；10-颗粒供应装置；11-颗粒雾化喷嘴；12-试验件；13-红外窗口；14-三维轮廓扫描仪； 15-红外热像仪；16-电脑采集控制端；17-冷气气源；18-减压阀；19-压力表； 20-过滤器；21-流量计；22-热电偶；23-红外玻璃；24-供气腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。虽然具体实施例根据本发明的技术方案给出了详细的实施方式，但实施例仅为本发明的优选实施例之一，还可以通过其它各种形式实现本发明，因此凡是基于本发明的技术原理做出的等同变化均属于本发明权利要求的保护范围。

如图1所示，本实施例给出了一种研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统，通过在实验系统中喷射低熔点物质形成的颗粒，从而在常温条件下研究实际航空发动机涡轮叶栅表面颗粒的沉积特性及其对叶栅表面气膜冷却有效度的影响规律。

本发明是一种研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统，包括主流系统、冷气系统、颗粒发生系统和测量系统。

所述的主流系统由高压气源1进行供气，通过冷干机2后进入储气罐3中，储气罐3的出口分为旁通管路和主流管路，旁通管路设置了比例电磁调节阀4，主流管路设置了主流进气阀5，主流管路中的高压气体经过加热器6后进入试验段中，试验段沿主流方向依次布置了整流网7和湍流栅格8，试验段的下壁面安装了涡轮叶栅气膜冷却的试验件12，试验件的正上方为红外窗口13。

所述的冷气系统由冷气气源17进行供气，通过减压阀18、压力表19、过滤器20和流量计21后进入试验件12的供气腔24中。

所述的颗粒发生系统包括颗粒供应装置10和颗粒雾化喷嘴11，其中颗粒雾化喷嘴11设置在湍流栅格9和试验件12之间。

所述的测量系统通过电脑采集控制端16连接了主流温度和速度测量装置9、三维轮廓扫描仪14、红外热像仪15和供气腔24中的热电偶22。

所述的主流温度和速度测量装置9放置在流道正中间，通过热电偶测量得到主流温度，通过毕托管或热线风速仪测量得到主流速度。

在一个实施例中，参考图2，在试验段的上下壁面分别开设台阶结构的窗口，上方为红外窗口13，里面装配了拥有与之对应的台阶结构的红外玻璃23，使得红外玻璃23的下表面与试验段表面平齐；下方为试验件窗口，试验件12通过台阶结构与试验段装配，使得试验件表面与试验段表面平齐，试验件12为表面设置了若干气膜孔的涡轮叶片，气膜孔的下方为供气腔24。

本发明研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统的工作过程是：来自高压气源1中的高压气体通过冷干机2后进入储气罐3中，通过控制旁通管路中设置的比例电磁调节阀4，使得主流管路中的气体经过加热器6后进入试验段中，主流气体经过整流网7和湍流栅格8后由主流温度和速度测量装置9得到其参数；来自冷气气源17的冷气经减压阀18、压力表19、过滤器20和流量计21 后进入试验件12的供气腔24中，经试验件12表面的气膜孔喷出，此时可以通过红外热像仪15测得试验件12表面的温度分布，结合供气腔24中热电偶22测得的冷气温度通过计算便可得到综合气膜冷却有效度；颗粒供应装置10通过颗粒雾化喷嘴11产生颗粒喷雾，通过主流气体的携带沉积在试验件12的表面，此时通过红外热像仪15可以得到沉积后的综合气膜冷却有效度，沉积物的形貌分布可以通过三维轮廓扫描仪14扫描得到。

在实际的操作过程中，具体流程如下：首先全开旁通管路上的比例电磁调节阀3，启动高压气源1和冷干机2，打开主流进气阀5；通过电脑采集控制端16 控制比例电磁调节阀4的开度，并打开加热器6，使得主流气体参数经主流温度和速度测量装置9测量后达到要求值；待主流气体参数以及红外热像仪15测得的试验件12表面温度稳定时，气动冷气气源，调节减压阀18使得压力表19的参数满足要求值，控制流量计21使得冷气流量与主流气体工况相匹配；待试验件12表面的温度再次稳定时，通过红外热像仪15拍摄得到此时试验件12表面的温度分布；开启颗粒供应装置10，经过一定的时间后关闭，此时颗粒沉积在了试验件12的表面，利用红外热像仪15拍摄的到沉积后试验件12表面的温度分布，再利用三维轮廓扫描仪14测量试验件12表面的沉积分布特征；通过重复上述步骤，可以得到不同沉积量下试验件12表面的温度分布，再利用下述的公式进一步得到随沉积量增加大的气膜冷却有效度：

综合气膜冷却有效度＝(主流温度-试验件表面温度)/(主流温度-冷气温度)。

综上所述，为了在常温条件下模拟大气环境中固体颗粒被吸入航空发动机涡轮中沉积在叶栅表面后的沉积分布以及沉积物对于叶栅表面冷却性能的影响，本发明提供了一种研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统，通过主流系统、冷气系统、颗粒发生系统和测量系统可以的得到试验件表面的沉积特性以及在此时刻下试验件表面的气膜冷却有效度。根据上述实施例的结果，本发明在燃气涡轮技术领域中具有较高的实际应用价值。

除非另有定义，这里使用的所有术语具有本发明所属领域中普通技术人员的一般理解相同的意义。

上述具体实施方式仅是对本发明的技术特点和实施方案进行了进一步的详细说明，但以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，并不用于限制本发明的使用范围和使用形式。凡是基于本发明的思想对上述系统进行的修改或者改进，特别包括本发明提出的研究涡轮叶栅气膜冷却颗粒物沉积效应的实验系统，均属于本发明权利要求的保护范围。此外，不应将权利说明书中任何附图的示意结构作为限制本发明的保护范围。