金屬絲網發散冷卻與顆粒沉積關系探究

何 建，羅 翔，彭于博

(北京航空航天大學能源與動力工程學院，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，發散冷卻作為氣膜冷卻的極限形式，擁有理論上的最優冷卻效率[1]。為適應渦輪葉片復雜的外形和高溫工作環境，常采用燒結金屬絲網作為渦輪葉片發散冷卻的基體材料[2]。在探索發散冷卻如何應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境中的顆粒沉積堵塞微孔[3]。航空發動機工作中外部微細顆粒的侵入，極易在渦輪葉片表面形成沉積或在冷卻結構中形成堵塞，而冷卻結構的堵塞將對渦輪葉片冷卻結構的可靠性造成嚴重影響[4]。為準確評估發散冷卻與顆粒沉積間的關系，需探究顆粒在發散冷卻結構表面的沉積特性以及沉積對發散冷卻效率的影響，以便為發散冷卻結構設計提供技術支撐。

國內外關于顆粒沉積對渦輪葉片冷卻影響的研究大多針對氣膜冷卻。Ai等[5]在渦輪加速沉積實驗臺上研究了沉積對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，并采用紅外相機測量沉積壁面溫度。結果表明沉積越厚的區域壁面溫度越高；實驗中還觀察了沉積行為隨時間的變化，發現升高的壁面溫度加速了沉積，導致非線性的沉積增長率。Lawson等[6]研究了固體和熔融顆粒沉積對平板氣膜冷卻的影響，采用紅外熱成像儀測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，動量比為0.23和0.50時顆粒沉積導致氣膜冷卻效率降低了近20%，而動量比為0.95時只降低了6%。Albert等[7]實驗研究了顆粒沉積對渦輪葉片前緣氣膜冷卻的影響，結果表明沉積厚度不會隨時間增加而無限增長，而是會達到一個維持顆粒的沉積和脫落動態平衡的厚度。Whitaker等[8]研究了正反兩種(分別為10°、130°)氣膜孔出流角度對顆粒沉積的影響，結果顯示出流角度不影響總的沉積質量，只影響沉積質量的分布。周君輝等[9]研究了顆粒直徑和氣膜出流吹風比對氣膜孔附近顆粒運動與沉積特性的影響，發現小直徑顆粒沉積率隨吹風比增大而增大，大直徑顆粒沉積率隨吹風比增大而減小，總體沉積率隨吹風比增大不斷降低。關于顆粒沉積與發散冷卻的相互作用，國外也做了少量研究工作。Raj[10]在渦輪葉柵上進行了發散冷卻葉片上的沉積實驗，探究了顆粒在實際發散冷卻葉片的沉積機理。Kozlu等[11-12]實驗研究了發散冷卻對于沉積控制的效果，顯示顆粒直徑對顆粒在發散冷卻邊界層厚度方向的濃度分布有較大影響；同時還研究了不同吹風比下顆粒穿過發散冷卻湍流邊界層的特點。

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

2 實驗裝置

實驗裝置(圖1)包括供氣系統、加熱系統、噴霧系統、實驗段、溫度壓力測量系統、數據采集系統和尾氣處理系統。

2.1 供氣系統

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

2.2 加熱系統

加熱系統由兩個加熱單元沿流向依次布置，每個加熱單元由加熱網、銅電極及云母襯架通過螺栓連接，加熱網選用鐵鉻鋁網，每個加熱單元共包含3張絲網，通過U形銅電極串聯連接，并通過首尾兩個一字形銅電極連接導線，絲網之間用云母襯架隔開。

2.3 噴霧系統

實驗中選用石蠟模擬航空發動機燃燒室產生的顆粒物，并設計了可將熔融態石蠟噴射到通道中的噴霧系統(圖2)。噴霧系統分為氣路、液路和噴射裝置三部分。液路主要由氣泵、壓力罐、流量計、銅管組成。氣路主要由氣泵、流量計和銅管組成。噴射裝置選用空氣霧化噴嘴。儲存在壓力罐中的石蠟(常溫下為固態)經電加熱器加熱融化，液態石蠟經高壓氣體擠壓流入銅管(由電阻加熱器加熱)進入噴嘴，再與流經氣路已加熱的熱空氣在噴嘴中匯合，最后經噴嘴霧化噴射入實驗段。氣路和液路的氣體均由穩壓閥穩定氣壓。流量計用于監控氣體和石蠟的流量。

2.4 實驗段

實驗中，選用燒結金屬絲網實現發散冷卻結構，其結構如圖3所示。實驗段設置紅外攝像窗口，用于紅外相機記錄金屬絲網表面的溫度分布。

2.5 溫度壓力測量系統和數據采集系統

實驗中，溫度和壓力的測點分布如圖4所示。主流和冷氣溫度采用熱電偶測量，經VB程序采集；主流和冷氣壓力采用羅斯蒙特壓力傳感器測量；金屬絲網表面溫度通過紅外測試技術測量。對金屬絲網表面噴黑漆，使金屬絲網與石蠟在實驗條件下具有相同的發射率。

實驗中石蠟顆粒粒徑用馬爾文粒度儀測量。采用北京航空航天大學自主設計的雙目光柵投影儀(圖5)，基于激光三角法測量原理，精確測量金屬絲網表面沉積物的沉積分布特性。

2.6 尾氣處理系統

尾氣處理系統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粒回收處理。

3 實驗結果

本實驗中，發散冷卻效率定義為：

式中：Tg為主流溫度，Tc為冷氣溫度，Tw為壁面溫度。

吹風比定義為：

式中：A為通道面積，下標g、c分別代表主流和冷氣。

本實驗工況為：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1.1×105；吹風比0.05。石蠟融點317 K，流量為6 ml/min。

3.1 顆粒沉積

斯托克斯數作為表征顆粒在流體中行為的無量綱參數[13]，定義式為：

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

實際發動機中顆粒物的斯托克斯數在1～150范圍內。本實驗中以金屬絲網平均孔徑90 μm作為特征長度lc，為滿足特征參數相似，實驗中通過控制噴霧系統的氣液比來實現。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，粒徑中值約為55 μm，中值粒徑斯托克斯數為82。

噴霧前后，金屬絲網表面形貌如圖7所示。可以觀察到，噴霧后，顆粒沉積在實驗件表面，且不同區域的沉積情況不同。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量的不同噴霧時間下石蠟顆粒在金屬絲網表面的沉積分布。由圖可看出，金屬絲網前緣因氣膜覆蓋率低，溫度高，該區域石蠟顆粒的附著性更強，沉積出現較早，且厚度高于金屬絲網下游區域。由于顆粒的沉積具有隨機性，因此整個實驗件表面各區域均有不同程度的顆粒堆積。在實驗件中線區域，顆粒的積聚更為明顯，厚度也明顯高于其他區域。

圖9反映了不同噴霧時間下實驗件表面顆粒沉積的質量變化規律。圖中1、2、3表示每個噴霧時長對應的重復實驗。由圖可看出，隨著噴霧時間的增加，沉積物的質量隨之增加，且增長趨勢非線性。噴霧前期，因冷卻氣膜的存在，沉積物積聚比較緩慢。隨著噴霧時間的增加，由于早期部分石蠟的沉積，加劇了后續沉積物的堆積。當沉積達到一定厚度時，沉積物的繼續堆積受主流和冷氣流動的影響更加明顯，沉積積聚速度減慢。

3.2 金屬絲網表面溫度分布

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

3.3 顆粒沉積對冷卻效率的影響

根據實驗件表面的溫度分布，可計算得到其冷卻效率分布，見圖11。可發現，顆粒沉積在金屬絲網表面后，使得各處的冷卻效率有不同程度改變。

為進一步探究顆粒沉積分布對發散冷卻效率的影響，定義實驗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(距實驗件前緣1 cm)處，顆粒沉積前后冷卻效率的變化與沉積厚度的分布，對比了沉積厚度對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律基本一致。當沉積厚度較小時，沉積物對冷氣的流動影響較小，當地的冷卻效率會產生小幅波動。當沉積厚度在1 mm以內時，冷卻效率波動保持在10%以內。當沉積厚度較大時，由于局部流動阻力急劇增加，使得當地的冷卻效率顯著降低，而緊鄰沉積物的區域因冷氣流量激增導致其冷卻效率增加。當沉積厚度大于1 mm時，冷卻效率波動明顯增加。

4 結論

通過實驗方法，以熔融的石蠟噴霧作為沉積物，研究了金屬絲網發散冷卻的顆粒沉積規律及沉積分布對發散冷卻效率的影響特性。得出以下主要結論：

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

(2)顆粒物的沉積會顯著影響發散冷卻效率，沉積造成的堵塞會導致金屬絲網內部冷氣流動分布發生改變，使當地冷卻效率顯著降低，而緊鄰沉積物的區域因冷氣流量增大導致冷卻效率升高。

(3)沉積物造成的發散冷卻流動結構的破壞，使整個金屬絲網表面不能得到有效、均勻的冷卻，影響發散冷卻效果。