涡轮叶片热障涂层在CMAS 环境下的失效分析

对于多台份某型发动机在试车后出现的带热障涂层涡轮叶片表面附着较多环境沉积物CMAS进而导致热障涂层脱落 失效的故障,通过宏观形貌观察、化学成分分析、微观结构分析等方法对CMAS分布规律、成分特征和失效模式进行了分析。结果 表明：CMAS沉积物在叶盆面较厚、叶背面较薄,靠近缘板处较厚、叶身中部位置较薄,进气边较厚、排气边较薄;厚度较薄处的附 着物颗粒细小、分布均匀,较厚处的附着物结构较疏松,大多呈块状不均匀分布;涡轮叶片热障涂层表面沉积物及气膜孔堵塞物的 成分以CMAS为主,同时还有中低温部件碰摩磨屑生成的Fe2O3、TiO2和NiO;由CMAS腐蚀引发的热障涂层失效模式主要有气膜孔 堵塞引发周围涂层烧结失效、涂层表面和内部应力失配、陶瓷层柱状晶被冲击撞断以及8YSZ热障涂层被溶解。     

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究

微槽换热器是解决航空电子设备元器件热控制问题的一条有效途径.以新型电子设备冷却液FC-72为工质,利用4种不同结构尺寸的矩形微槽,进行了微槽内单相流动和强迫对流换热性能实验研究;分析了工质流速、过冷度以及微槽结构等对换热性能的影响,给出了适用于层流和紊流的单相流动阻力特性实验关联式和单相强迫对流换热实验关联式,并对实验结果进行了不确定度分析.结果表明,在矩形微槽换热器中,FC-72的单相强迫对流换热能力能够满足中高强度的电子设备散热要求.      

旋转状态下叶片前缘复合换热实验

通过液晶示温瞬态实验方法,对旋转状态下涡轮叶片前缘带气膜出流的冲击冷却结构的换热特性进行了研究,获得了哥氏力、离心力对复合换热效果的影响.实验参数:射流进口雷诺数R_e=4 000,旋转数R_o=0~0.139.实验结果表明:随着旋转数的升高,实验模型的整体换热效果逐渐减弱,在旋转数为0.139时,与静止状态相比冲击面平均努塞尔数Nu下降了33%,压力面和吸力面分别下降了20.5%和7.5%;哥氏力的作用加速了射流的扩散,是造成旋转换热减弱的主要原因;哥氏力和离心力的共同影响使得吸力面的换热好于压力面;气膜孔的存在改变了流动结构,极大的增强了孔周边区域的换热效果.      

孔型对多孔平板气膜冷却效果的数值研究

本文从加强气膜孔内的换热量和热侧的气膜覆盖两个角度来提高气膜孔壁的冷却效果,数值计算结果表明收缩进气可以强化孔内的对流换热,一般可以使换热量提高0.7倍左右;扩张出气可以使冷气出口的速度降低,气膜覆盖面更广,提高气膜的覆盖效果。     

薄膜冷却射流的水模拟显示

本文通过水模拟实验,对涡轮叶片气膜冷却时射流的流场进行了研究。实验是在不同的攻角和不同的密流比下进行的。实验结果表明,当攻角一定时,密流比增加到某一数值后,薄膜不再是稳定的而是变成一群“旋涡串”。这种“旋涡串”的出现将大大削弱薄膜冷却的保护作用,故在设计时应竭力避免。本文还对“旋涡串”的出现机理作了初步分析,并根据实验结果提出了相应的经验公式。     

槽道湍流相干结构的研究

采用高阶差分方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程，进行槽道流相干结构的数值研究，与常用的谱方法相比，不需限制边界条件，可用于更一般的粘性流体的流动问题，文中所用时间分裂法和三维耦合高阶差分格式适用于包括邻近边界点在内的整个计算区域，克服了三维各自用高阶中心差分格式不适用邻近边界点的困难。通过算例模拟了槽道流动中单个相干结构的演化发展规律，结果与实验一致。     

航空发动机涡轮叶片冷却气膜孔加工去除重熔层技术

为提高叶片工作时的冷却效果,叶片的气膜孔设计的越来越复杂,涡轮叶片的冷却气膜孔加工作为一项重要的技术至为关键。现有的条件下对气膜孔的加工进一步研究,基于挤压磨粒流加工理论,采用挤压磨粒流加工工艺试验方法,对叶片冷却气膜孔做控制磨粒流孔径增加量从而去除重熔层的实验。当磨粒流孔径伽．3增加量为0．04时,孔径蜘．5增加量为0．02时,就可消除重熔层的结果,说明了通过磨粒流去除重熔层和微裂纹具有非常满意的去除效果。     

带横流非均匀冲击/气膜复合冷却特性试验研究

针对多层涡轮机匣内部典型阵列冲击/气膜,试验研究了横流出流和气膜出流作用对冲击冷却靶面换热系数的综合作用。重点分析了非均匀阵列冲击射流中,冲击雷诺数(6 750~28 500)、横流出流比(0~0.5)等参数对冲击靶板局部和平均努赛尔数的影响。试验中局部和平均努赛尔数均随着冲击雷诺数的增加而提高。当横流出流比增加后,局部和平均努赛尔数均减小。试验结果表明,气膜孔和冲击孔间距较小的工况下能够获得更好的局部换热强化效果。横流出流的存在,削弱冲击射流带来的局部强化冷却作用,并且随着出流比的增大,这种换热削弱程度也逐步变大。     

单排圆柱孔射流气膜加热与气膜冷却方式的对比

为了揭示气膜加热和气膜冷却两种方式在影响规律机制上的异同,通过数值计算研究了两种方式单排圆柱孔在典型吹风比下(0.5,1.0和1.5)的射流-主流相干特征,并分析了热气流-冷气流温度比变化对气膜绝热加热或冷却效率的影响。研究结果表明:在相同的吹风比下,在气膜加热方式下喷注射流向主流的穿透趋向更为显著,引起喷注射流抬离壁面并在气膜孔出口附近诱导出尺度更大的卵形涡对;当温度比接近于1时,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异较小,随着温度比偏离1的程度加剧,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异显著增大。     

源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响

针对平板多孔气膜冷却结构开展了真实模型和源项法模型数值仿真,在同实验数据对比取得较高精度的基础上探究了源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响,分析了加载方式、流量系数、网格参数等影响因素。结果表明:源项法模型可以代替建立带气膜孔真实模型对气膜冷却结构进行数值计算。网格准确定位的源项加载方式在粗细网格条件下均能取得较高的精度,点源项加载方式对网格较为敏感。因流量系数公式不准确导致的流量计算误差会影响源项法模型的计算精度,低吹风比下影响更为显著。气膜孔进出口处网格面密度应不少于4个/mm2,第一层网格高度的选取应符合所选用的湍流模型,以保证较高的计算精度。