高温涡轮叶片用航空煤油冷却的机理研究

本文用航空煤油为冷却介质,在均匀受热的铅直圆管内沸腾形成气液两相流动,研究其沿程换热系数的变化规律,并与用水为冷却介质相比较;研究在不同工况下,煤油沸腾气液两相流动时的不稳定性和结焦的情况。      

增材制造螺旋圆管航空煤油热氧化结焦特性的试验研究

为得到环境温度、入口雷诺数和磨粒流处理工艺对RP?3航空煤油氧化结焦特性的影响,针对增材制造（3D打印）螺旋圆管,采用了恒定环境温度的试验方法,开展了RP?3航空煤油热氧化结焦试验研究。试验结果表明:当入口雷诺数和试验时间保持恒定时,无论燃油处于静止还是流动状态,燃油结焦速率和总结焦量都随着环境温度的增加而增大;当试验件壁温和试验时间保持不变时,燃油处于流动状态下,燃油结焦速率和总结焦量随着入口雷诺数的增大呈现先增加后减少的变化趋势。采用磨粒流处理后,燃油在试验件内的结焦速率大于基准工况,总结焦量是基准工况下的1.17倍。对试验件内表面进行磨粒流处理不利于抑制结焦沉积。      

高温条件下RP-3航空煤油的结焦特性

为了解和掌握航空煤油在高温条件下的结焦性能,通过试验分别研究了RP-3航空煤油在静止状态下的结焦边界温度与结焦特性,以及不同燃油进口条件、壁温对结焦特性的影响。试验结果表明:燃油静止时其结焦边界温度介于437~450 K之间,且随着试验时间的增加,结焦速率呈下降趋势。增加流速,降低进口油温和壁温均可有效降低结焦的生成,且降低进口油温的影响最大。从时间尺度上来看,结焦在前期的累积较慢,但在形成一定量的结焦后结焦速率会明显提升,以400 K进口油温、800 K壁温、05 m/s燃油流速工况为例,8 h和12 h试验件的结焦量分别达到4 h试验件的约15倍和7倍。     

冷却通道预氧化处理抑制碳氢燃料热裂解结焦的研究

主动冷却超燃冲压发动机用吸热碳氢燃料应用过程中不可避免产生裂解结焦,这是制约燃料热沉能力和过程可靠性的重要因素。冷却通道表面进行预处理,是减少裂解结焦的重要途径之一。系统研究了预氧化321不锈钢管(Φ3 mm×0.5 mm)的元素迁移和微观结构。利用超临界航空煤油RP-3的热裂解反应为探针,研究预氧化处理对结焦的影响。实验发现,高温氧化后(900℃),管表面形成一层致密的Cr2O3膜,能减少碳沉积,几乎不生成纤维碳;较低温(600~800℃)氧化时,虽然Cr元素不断向金属表面迁移,Fe,Ni元素向金属内部迁移,但同时产生了大量空缺位提供渗碳通道,最终导致结焦量高于空管。     

主动冷却通道内吸热型碳氢燃料热裂解结焦抑制机理

为阐明超临界条件下吸热型碳氢燃料的热裂解结焦抑制机理,在电加热管实验装置上,获得了沿程油温、壁温以及燃料的组成,分析了结焦抑制添加剂影响碳氢燃料高温裂解和结焦的实验数据。结果表明:结焦抑制添加剂对碳氢燃料的裂解影响小于4%,降低结焦量约30%;添加结焦抑制剂后,结焦速率下降较快,稳定结焦速率降低约2%。采用SEM表征结焦抑制添加剂对结焦形貌的影响。结果表明,添加剂同时抑制了表面催化结焦与自由基生长结焦的形成。      

进口油温影响RP-3结焦特性实验研究

实验研究了超临界压力下RP-3的氧化结焦特性。实验系统压力5Mpa,质量流速4g/s,实验段为外径2.2mm、内径1.8mm不锈钢管（材质：1Cr18Ni9Ti）。通过改变进口温度80℃、100℃、127℃、150℃,研究了进口油温对RP-3氧化结焦的影响。实验采用等热流加热方式,管内壁面结焦通过称重法测量。实验结果表明：RP-3结焦速率随温度的升高沿管长先升高,然后随着溶解氧的消耗降低,在实验段中后部形成结焦速率峰值;随进口温度的升高,结焦速率峰值位置大都向上游推移,且峰值高度有所增加;管内结焦总量随进口油温的升高先增加,当进口油温超过127℃后,管内结焦总量基本保持不变。     

进口温度影响航空煤油结焦特性实验

实验研究了超临界压力下航空煤油RP-3的氧化结焦特性.实验系统压力5 MPa,RP-3质量流速4 g/s,实验段为外径2.2 mm、内径1.8 mm不锈钢管(材质:1Cr18Ni9Ti).通过改变进口温度80,100,127℃和150℃,研究了进口油温对RP-3氧化结焦的影响.实验采用近似等热流加热方式,管内壁面结焦通过称质法测量.实验结果表明:随进口温度的升高,结焦速率峰值位置大都向上游推移,且峰值高度有所增加;管内结焦总量随进口油温的升高先增加,当进口油温超过127℃后,管内结焦总量基本保持不变.      

航空发动机燃烧室喷嘴内燃油传热特性的数值研究

采用数值模拟方法,研究航空发动机燃烧室喷嘴内燃油的传热特性:使用三维建模软件对喷嘴进行精细的几何建模,喷嘴模型包括旋流器叶片和隔热套管等细节特征;采用商业CFD软件对比研究不同喷嘴内燃油的传热特性,确定喷嘴隔热套管的隔热效果。结果表明,在所给工况条件下,隔热套管能减少喷嘴杆部温升约50%,对主油路温升的抑制作用随着主油路流量的增加而逐渐减小,对副油路燃油温升的抑制作用比较明显且基本不随主油路流量变化。工程算法和数值模拟计算的喷嘴出口燃油温度之间相差明显。     

不同几何结构对燃油喷嘴热防护特性的影响

试验研究了不同管路结构对燃油结焦性能的影响,结果表明,在1 000 K、150 m/s来流条件和400 K、05 m/s燃油条件下,减小弯管角度和突扩管路的突扩尺寸可以降低结焦附着,且在对管路加热的初始阶段中,结焦量随时间增加会出现波动,在加热15 min时管壁结焦量达到最大,壁面上部分结焦的脱落使结焦量降低。随后,采用试验与数值模拟相结合的方法研究了喷嘴和喷嘴帽罩结构对热防护特性的影响。结果表明,主、副油路同心布置的喷嘴具有最好的热防护效果,在所试验工况下最高可降低湿壁温度近50%,甚至优于带空气隔热层的模型。而喷嘴帽罩对喷嘴出口油温的降低有限,但减小帽罩与喷嘴体的接触或在接触面处填充低热导率的材料仍是有效的改进措施,可降低出口油温约5 K。研究结果对喷嘴的热防护设计具有指导作用。     

加力燃烧室用气冷喷油杆结焦特性数值研究

为阐明实际工作环境参数下气冷喷油杆内燃油结焦速率与沉积厚度等特性,建立沿喷杆轴向的一维非稳态热-流-固耦合换热与燃油结焦计算模型,获得了喷杆壁面与燃油温度、结焦速率与相对结焦厚度等参数沿程分布。分析了燃油进口温度和质量流量对燃油结焦特性的影响,并与无气冷喷杆方案结果进行了对比。计算结果表明:燃油温度沿轴向逐渐升高,喷杆壁温在底端达到峰值。基准工况下气冷喷杆结焦速率和结焦厚度均沿轴向先升高后降低。结焦速率最大为26μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度0.6%。无气冷喷杆方案,在喷杆前端和底部各存在一结焦峰值区域。结焦速率峰值分别为398μg/(cm2·h)和807μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度8%和15%。固定燃油进口流量,随着燃油进口温度升高,结焦速率显著增大,喷杆内结焦总质量呈指数级增长趋势。固定燃油进口温度,进口流量越大,结焦速率略有增大,结焦总质量仅呈线性增长趋势。相较于无气冷喷杆,气冷喷杆可显著降低喷杆壁面与燃油温度,从而大幅抑制结焦生成。