楊曉軍，于天浩，崔莫含，劉智剛

（中國(guó)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)的整個(gè)壽命期間，渦輪葉片會(huì)受到污染物的沉積、侵蝕和腐蝕。這些污染物來(lái)自吸入的雜質(zhì)（沙子、火山灰等等），以及燃料燃燒產(chǎn)生的雜質(zhì)和灰分顆粒。沉積是導(dǎo)致渦輪機(jī)葉片冷卻性能降低的主要原因之一，在緊接燃燒室下游的第一級(jí)高壓渦輪靜葉上是最顯著的，由于這是渦輪部件的最高溫度區(qū)域，因此污染物顆粒在該區(qū)域會(huì)保持熔融狀態(tài)，更容易黏附到渦輪部件的表面，而不是以冷卻和硬化狀態(tài)從葉片表面彈回。污染物沉積對(duì)渦輪葉片的危害主要包括增大渦輪葉片表面粗糙度、隔絕冷卻氣流，嚴(yán)重的會(huì)使熱障涂層剝落。其中，葉片表面的粗糙度增大會(huì)導(dǎo)致葉片的氣動(dòng)外形發(fā)生改變，增加葉片表面的熱傳遞以及降低的氣膜冷卻性能，降低渦輪的做功效率，縮減葉片的壽命。

國(guó)外對(duì)渦輪葉片表面沉積的研究起步比較早，在數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方面都進(jìn)行了大量的研究。Walsh等［1］開(kāi)發(fā)了一種分析模型，用于估算鍋爐中的冷卻管中的顆粒物的沉積增長(zhǎng)，并通過(guò)對(duì)煤灰的溫度以及爐渣的黏度的研究，來(lái)解釋顆粒物沉積概率隨溫度的變化趨勢(shì)。Wenglarz和Fox［2］在水煤燃料的基礎(chǔ)上，對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)的煤灰沉積進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)沉積速率隨著氣體溫度和部件表面溫度升高顯著增加。Bons等［3］使用能夠在短時(shí)間內(nèi)模擬長(zhǎng)時(shí)間渦輪沉積的加速設(shè)備（TADF）對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)中的煤灰沉積進(jìn)行了多次沉積實(shí)驗(yàn)研究。該設(shè)施通過(guò)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)中有代表性的流動(dòng)條件，同時(shí)滿足煤灰化學(xué)性質(zhì)，以加速沉積的方式進(jìn)行渦輪葉片的沉積實(shí)驗(yàn)。Crosby等［4］分別研究了顆粒尺寸、氣體溫度和葉片表面溫度對(duì)TADF中沉積的影響，他們發(fā)現(xiàn)沉積速率隨著顆粒尺寸、氣體溫度和葉片表面溫度的增加而增加。Ai等［5］的研究側(cè)重于煤的衍生合成氣中的污染物在氣膜冷卻孔附近區(qū)域的沉積情況，研究發(fā)現(xiàn)沉積主要發(fā)生在氣膜孔的上游以及兩氣膜孔之間的下游區(qū)域。而在氣膜孔的下游沉積物覆蓋量比較少。沉積物高度的增加導(dǎo)致葉片表面溫度升高，溫度升高進(jìn)而又加速了沉積，導(dǎo)致沉積物隨時(shí)間的非線性增加。Ai等［6］還研究了吹風(fēng)比對(duì)沉積生長(zhǎng)和葉片表面溫度的影響，研究發(fā)現(xiàn)吹風(fēng)比的增加導(dǎo)致葉片表面溫度降低，同時(shí)減少了沉積物的生長(zhǎng)。Hamed等［7］在粒子傳遞模型的基礎(chǔ)上，對(duì)沉積物的相對(duì)傳遞速率進(jìn)行了研究。Lawson和Thole［8］使用類似的熔融蠟噴涂技術(shù)研究了渦輪端壁上沉積情況，他們的研究顯示在一定范圍的吹風(fēng)比下，顆粒物沉積會(huì)導(dǎo)致氣膜冷卻效率的降低。Albert和Bogard［9］使用熔融蠟噴霧器模擬渦輪葉片前緣上的沉積，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沉積厚度具有自我調(diào)節(jié)行為，在達(dá)到一定的平衡厚度后就不在繼續(xù)生長(zhǎng)。Prenter等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真相互對(duì)照，對(duì)沉積對(duì)冷卻氣流的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)冷卻氣流的流速和沉積在工件表面的顆粒物的量有關(guān)。Whitaker等［11］研究了湍流強(qiáng)度對(duì)渦輪導(dǎo)向器的沉積影響，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)湍流度從5.8%升高到8.4%時(shí)，沉積的沖擊概率從21%升高到了78%；同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)顆粒物的粒徑大小會(huì)影響沉積的概率。

國(guó)內(nèi)對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)沉積的研究還只是在數(shù)值模擬的階段。周君輝和張靖周［12］通過(guò)數(shù)值模擬研究了粒徑和氣流進(jìn)氣角對(duì)渦輪葉片沉積分布的影響。李勇等［13］對(duì)葉柵內(nèi)沉積顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和葉片表面的沉積率進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文將熔融石蠟顆粒噴入實(shí)驗(yàn)段，和主流混合后，通過(guò)顆粒沉積在實(shí)驗(yàn)件上，模擬渦輪葉片中的沉積過(guò)程，實(shí)驗(yàn)研究了不同氣膜孔孔徑和平板表面粗糙度對(duì)氣膜冷卻平板表面石蠟沉積的影響，以及顆粒物沉積后，實(shí)驗(yàn)件表面的氣膜冷卻效率的變化趨勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用小型開(kāi)式風(fēng)洞系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，空氣由鼓風(fēng)機(jī)輸送到加熱罐中進(jìn)行加熱，從而形成較高溫度的主流，氣動(dòng)雙隔膜泵將石蠟加熱罐中的熔融態(tài)石蠟通過(guò)噴霧裝置噴入到主流中以模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中的污染物顆粒，其中霧化噴嘴直徑為0.6mm，石蠟流量為10 g／min?？諝馀c石蠟顆粒組成的混合物經(jīng)過(guò)整流格柵進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)段中，其中主流流量為5.2m3／s，主流速度為4m／s，主流溫度為60℃，湍流度為4.63%。冷流是由壓縮機(jī)將空氣增壓到0.4MPa后，輸送到恒溫冷卻裝置中產(chǎn)生的，低溫氣體進(jìn)入到集氣室后，通過(guò)射流孔板上的氣膜孔射入到實(shí)驗(yàn)段中，其中冷流速度為1.82m／s，冷流溫度為30℃。

圖2為實(shí)驗(yàn)段示意圖，主要由前緣板、射流孔板、實(shí)驗(yàn)段組成。為了測(cè)試不同孔徑的氣膜孔，射流孔板是可更換的，射流孔板上開(kāi)有呈單排分布的3個(gè)氣膜孔，孔間距為S，孔徑為D，射流角度（氣膜孔中線與平板表面的夾角）為α。實(shí)驗(yàn)段上開(kāi)有長(zhǎng)200mm、寬110mm、厚4mm的凹槽，凹槽中可以放置可更換平板。為了減小實(shí)驗(yàn)段的熱量損失，保持絕熱狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)段的下方粘有隔熱泡沫塊。

圖3是射流角度α為30°的不同孔徑射流孔板示意圖，孔間距S均為20mm，孔徑D分別為5、8、10mm。

圖4為貼有不同粗糙度砂紙的平板，本實(shí)驗(yàn)選用砂紙型號(hào)為1600#、800#、400#、200#、100#的砂紙，通過(guò)查閱國(guó)標(biāo)，這些型號(hào)的砂紙分別對(duì)應(yīng)的砂粒粒度k為10、20、40、80、120μm。根據(jù)Koch和Sm ith［14］定義的等價(jià)砂粒粗糙度ks與砂粒粒度k的關(guān)系式：

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experimental device

圖2 實(shí)驗(yàn)段示意圖Fig.2 Sketch map of experimental section

圖3 不同孔徑射流孔板示意圖Fig.3 Sketch map of different aperture jet pore plates

圖4 不同粗糙度的砂紙表面Fig.4 Different roughness on surface of sandpaper

對(duì)應(yīng)的砂粒粗糙度ks為15、30、60、120、180μm。本實(shí)驗(yàn)用砂粒粒度k來(lái)表示砂紙表面的砂粒粗糙度ks。

1.2 紅外熱像儀標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)中平板表面的溫度分布利用紅外熱像儀獲得，并用CCD相機(jī)對(duì)沉積后的平板進(jìn)行取像。紅外熱像儀采用NEC公司的R300SR型，測(cè)溫范圍在-40～500℃，測(cè)量精度為±1℃。為了減少外界光線對(duì)紅外成像的影響，在使用紅外熱像儀拍攝時(shí)，熱像儀鏡頭通過(guò)硒化鋅高精度窗口片取像，同時(shí)在可更換平板上也貼有一層黑色貼膜。實(shí)驗(yàn)首先要對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行溫度標(biāo)定。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先在平板上均勻鋪設(shè)熱電偶，通入高溫主流，然后同時(shí)利用熱電偶和紅外熱像儀對(duì)相同位置進(jìn)行溫度測(cè)量和記錄。通過(guò)比對(duì)熱電偶測(cè)量的溫度與紅外熱像儀測(cè)量的溫度來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，紅外熱像儀溫度標(biāo)定曲線如圖5所示。由于石蠟沉積在平板上，發(fā)射率發(fā)生改變，但發(fā)射率相差約0.05，測(cè)得的溫度比實(shí)際溫度低1℃左右，所以實(shí)驗(yàn)僅對(duì)平板進(jìn)行了標(biāo)定。

圖5 紅外熱像儀溫度標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curve of infrared thermography

1.3 石蠟顆粒沉積模擬與分析

本實(shí)驗(yàn)選用58號(hào)石蠟作為模擬顆粒物，熔融溫度為58℃，密度為900 kg／m3。Davidson等［15］在低速風(fēng)洞中使用低熔點(diǎn)石蠟進(jìn)行了渦輪葉片污染物沉積模擬，模擬實(shí)驗(yàn)中，石蠟顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡取決于斯托克斯數(shù)Stk。斯托克斯數(shù)的定義式為

式中：ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑；up為顆粒速度；μ為動(dòng)力黏度；lc為特征長(zhǎng)度。Lawson和Thole［16］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)實(shí)際燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的斯托克斯數(shù)Stk在0.004～40之間。本文通過(guò)電子顯微鏡觀察了噴入到主流的石蠟顆粒的分布情況，如圖6所示，石蠟顆粒的粒徑范圍dp＝1～200μm。

實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)的Stk對(duì)照如表1所示，可以看到，實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)Stk的變化范圍基本一致，所以石蠟顆?？梢越颇M發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而近似模擬了顆粒物在撞擊到障礙物時(shí)的速度方向，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)時(shí)顆粒物的沖擊概率與真實(shí)情況近似。

圖6 電子顯微鏡下石蠟顆粒尺寸分布Fig.6 Paraffin particle size distribution under electron microscope

表1 顆粒物性和縮放參數(shù)對(duì)照Tab le 1 Particle physical p roper ties and contrast of scaling param eters

當(dāng)顆粒物進(jìn)入主流后，凝固可近似分為2個(gè)過(guò)程：第1個(gè)過(guò)程是顆粒物向主流散熱，溫度隨時(shí)間成指數(shù)下降，直至溫度降至固化溫度；第2個(gè)過(guò)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(guò)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。

將顆粒物的固化時(shí)間和顆粒物輸運(yùn)的時(shí)間作比，得到可以描述顆粒物物態(tài)變化的熱縮放系數(shù)TSP，其計(jì)算公式為

式中：Lp為顆粒物進(jìn)入主流運(yùn)動(dòng)的距離；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。當(dāng)TSP＞1時(shí)，即顆粒物未完全凝固時(shí)，就與葉片表面產(chǎn)生撞擊；當(dāng)TSP≤1時(shí)，即顆粒物凝固后才與葉片產(chǎn)生撞擊。

在本實(shí)驗(yàn)中，考慮獲得沉積效果最嚴(yán)重的情況，主流溫度的設(shè)定略高于石蠟固化溫度。石蠟顆粒在到達(dá)平板表面時(shí)，基本都保持熔融狀態(tài)，沉積概率比固化顆粒的大，此時(shí)的TSP＞1。具體參數(shù)如表1所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)平板的氣膜冷卻效果進(jìn)行較為準(zhǔn)確的比較，氣膜冷卻絕熱效率［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；T1為實(shí)際主流氣體的溫度；T2為實(shí)際冷卻氣的溫度；由于實(shí)驗(yàn)段采用了保溫隔熱裝置，可以將實(shí)際壁面溫度Tw近似看作理論的絕熱壁溫，即Taw＝Tw，所以定義式又可以轉(zhuǎn)換為

氣膜冷卻絕熱效率表示了氣膜冷卻的效果。由式（7）中可以看出，當(dāng)η值越高時(shí)，表示此時(shí)的冷卻效果越好。在測(cè)量壁面溫度時(shí)，由于熱電偶會(huì)改變平板上表面的氣動(dòng)外形和石蠟沉積分布，所以通過(guò)熱電偶測(cè)得平板背面對(duì)應(yīng)位置的溫度，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用平板較薄，所以采用該處溫度代替Tw，經(jīng)過(guò)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩者平均溫度差在3.1℃左右。

1.5 誤差分析

由1.4節(jié)可以看出，數(shù)據(jù)主要的誤差來(lái)源是溫度。壁面溫度采用k型熱電偶測(cè)量，實(shí)驗(yàn)前經(jīng)過(guò)標(biāo)定得到其誤差在±0.1℃。紅外熱像儀的分辨率在±0.05℃，誤差在±1℃。主流溫度和冷流溫度由熱敏式風(fēng)速儀測(cè)量，其誤差在±1℃。根據(jù)誤差傳遞原理，得到冷卻效率合成不確定度為9%。另外，沉積實(shí)驗(yàn)中的沉積厚度使用測(cè)厚儀測(cè)量，測(cè)厚儀的精度為0.01mm，根據(jù)多組實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得沉積厚度的誤差±0.010 6mm，得到厚度的擴(kuò)展不確定度為6%。沉積物質(zhì)量使用高精度電子天平獲得，精度為0.01 g，擴(kuò)展不確定度為0.1%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)氣膜冷卻時(shí)的沉積過(guò)程

在無(wú)氣膜冷卻的情況下，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了在主流溫度為60℃時(shí)平板表面沉積物生長(zhǎng)過(guò)程，如圖7所示。沉積質(zhì)量隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，這主要是因?yàn)槌练e在平板上的顆粒在主流溫度下處于熔融狀態(tài)，更易使后續(xù)顆粒沉積。但是隨著沉積時(shí)間增加，沉積的速度呈減慢趨勢(shì)。沉積質(zhì)量隨時(shí)間增長(zhǎng)的圖像如圖8所示，沉積總時(shí)長(zhǎng)為75min，顆粒物沉積質(zhì)量為7.91 g。由圖可得，沉積一開(kāi)始增長(zhǎng)較快，沉積質(zhì)量隨時(shí)間基本成線性增長(zhǎng)，如1～30m in的沉積，增長(zhǎng)速度為0.134 g／min；隨后沉積質(zhì)量增長(zhǎng)速度有小幅度降低，如30～60min的沉積，增長(zhǎng)速度為0.1 g／min；當(dāng)沉積達(dá)到60m in以上時(shí)，沉積速度明顯降低，增長(zhǎng)速度為0.053 g／m in，較1～30min時(shí)的增長(zhǎng)速度下降了60.4%。導(dǎo)致速度變緩可能的原因是隨著沉積厚度增高，顆粒物受到主流剪切速度的影響變大，從而導(dǎo)致顆粒發(fā)生剝離現(xiàn)象。這與Albert等［9］使用熔融蠟?zāi)M渦輪葉片前緣處沉積的結(jié)果一致。

圖7 無(wú)氣膜冷卻下石蠟沉積隨時(shí)間的增長(zhǎng)圖像Fig.7 Growing image of paraffin deposition over time without gas film cooling

圖8 沉積質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.8 Deposition quality varying with time

2.2 孔徑對(duì)平板表面氣膜冷卻與沉積的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持吹風(fēng)比M ＝0.5不變，只改變氣膜孔的孔徑大小，石蠟噴涂時(shí)間為3min。圖9為有氣膜冷卻情況下平板表面的石蠟沉積圖像。從圖中觀察到，冷卻孔孔徑從5mm到10mm的變化范圍下，沉積越來(lái)越少。當(dāng)D＝5 mm時(shí)，沉積現(xiàn)象最為明顯，沉積厚度最高，分布也最廣，沉積的顆粒粒徑都較大，主要原因是冷卻氣流孔的孔徑小，導(dǎo)致冷流流量較小，導(dǎo)致近壁處的溫度較高，且不能在平板表面形成完整的氣膜覆蓋，所以整個(gè)平板的石蠟沉積比較多。當(dāng)D＝8mm時(shí)，沉積量明顯比5mm時(shí)減少很多，且在氣膜孔附近區(qū)域的沉積較少，氣膜孔下游1到2個(gè)孔徑距離下基本沒(méi)有形成沉積覆蓋。但是，每2個(gè)氣膜孔之間的下游區(qū)域，石蠟沉積厚度較相鄰的氣膜孔下游區(qū)域明顯增大，形成一條“脊”狀沉積，這可能主要是由于在氣膜孔下游形成“腎”形渦，而導(dǎo)致兩氣膜孔間下游的區(qū)域形成流速較慢區(qū)域，使粒徑較小的顆粒物撞擊平板的概率增高，導(dǎo)致顆粒物沉積較嚴(yán)重。當(dāng)D＝10mm時(shí)，冷卻射流流量較大，冷卻氣膜覆蓋區(qū)域變大，導(dǎo)致氣膜孔間下游的沉積比較少。

圖9 不同孔徑下氣膜冷卻平板表面的石蠟沉積覆蓋Fig.9 Paraffin deposition coverage on gas film cooling flat plate surfaces under different aperture sizes

圖10是在不同孔徑的實(shí)驗(yàn)條件下，氣膜孔下游中線的石蠟沉積厚度曲線，其中X為溫度測(cè)量點(diǎn)距氣膜孔的距離。由曲線可以看出，在相同X／D位置處，D＝5mm時(shí)，石蠟沉積厚度d在整個(gè)氣膜孔下游中線處都是最厚的，較另2個(gè)孔徑，沉積厚度要厚0.15～2 mm，并且石蠟沉積厚度隨著X／D的增大先呈線性增加然后增長(zhǎng)緩慢，趨于一定厚度不再增加，主要因?yàn)檫h(yuǎn)離氣膜孔的區(qū)域冷卻氣膜的覆蓋效果變差，并且冷流和主流摻混，導(dǎo)致顆粒的沉積更嚴(yán)重。在氣膜孔附近區(qū)域，D＝8mm的石蠟沉積厚度在3個(gè)孔徑下是最小的，主要原因是在此孔徑下，氣膜冷卻的效果好，氣膜的分布較廣。而遠(yuǎn)離氣膜孔的位置，經(jīng)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)D＝10 mm的顆粒沉積厚度比D＝8 mm時(shí)的小，相差約0.1mm，可能是10mm孔徑的冷流流量較大，在氣膜孔下游的延伸范圍更廣，使得氣膜孔下游較遠(yuǎn)處也有氣膜覆蓋，從而導(dǎo)致沉積量較少。圖11為氣膜冷卻條件下的紅外圖像。圖中橫坐標(biāo)表示氣膜孔中心的位置，縱坐標(biāo)表示溫度測(cè)量點(diǎn)距氣膜孔的長(zhǎng)度X與氣膜孔徑D（8mm）的比值。其中左半部分為沒(méi)有沉積的情況，右半部分為有沉積的情況?？梢杂^察到，無(wú)論有無(wú)沉積，平板表面的冷卻氣膜覆蓋隨氣膜孔徑的增大而逐漸增大，但沉積后的平板表面溫度比沉積前溫度要高，尤其在氣膜孔之間的下游區(qū)域以及遠(yuǎn)離氣膜孔的區(qū)域溫度升高比較明顯，這可能是因?yàn)樵谶@些區(qū)域石蠟沉積比較多，石蠟沉積凸起會(huì)與主流氣體接觸換熱，使得更多的熱量從主流氣體中傳到平板表面，顆粒物的沉積同時(shí)增大了平板表面的粗糙度，使冷卻氣流在沉積區(qū)域流動(dòng)更加紊亂，并且沉積所造成的凸起還可能阻礙冷卻氣體的擴(kuò)散，這些因素都會(huì)導(dǎo)致冷卻氣膜覆蓋效果變差。

圖10 不同孔徑下氣膜孔下游中線上的石蠟沉積厚度Fig.10 Paraffin deposition thickness on downstream midline of gas film holes under different aperture sizes

圖11 不同孔徑下氣膜冷卻平板表面沉積前后的紅外分布Fig.11 Infrared distribution of gas film cooling flat plate surfaces before and after deposition under different aperture sizes

圖12為在有無(wú)沉積的條件下，沿氣膜孔下游中線的氣膜冷卻效率η的曲線，從圖中可以看出，無(wú)論是沉積還是未沉積情況下，氣膜冷卻效率的變化規(guī)律都是類似的，即距離氣膜孔越近，冷卻效果越好，冷卻效率越高。相同位置處，沉積后的氣膜冷卻效率要比沉積前的氣膜冷卻效率低，最大相差4.7%，并且D＝10mm的氣膜冷卻效率最大，隨著氣膜孔的減小，氣膜冷卻效率逐漸減小，D＝10 mm 時(shí)的氣膜冷卻效率比D＝5 mm 時(shí)高6%左右。根據(jù)紅外圖像發(fā)現(xiàn)，在X／D＜1區(qū)域的氣膜冷卻效率要比X／D＝1處偏小，這可能是由于冷卻氣流從氣膜孔噴出后未立即產(chǎn)生貼壁氣膜，而是穿入主流，這導(dǎo)致冷卻射流下方會(huì)有主流流入，從而導(dǎo)致緊挨氣膜孔處的壁面溫度要比稍遠(yuǎn)方偏高，氣膜冷卻效率稍低。

圖12 不同孔徑下氣膜孔下游中線上的氣膜冷卻效率曲線Fig.12 Gas film cooling efficiency curves downstream midline of gas film holes under different aperture sizes

2.3 粗糙度對(duì)平板表面氣膜冷卻與沉積的影響

實(shí)驗(yàn)時(shí)保持氣膜孔徑D＝8mm，吹風(fēng)比M ＝0.5，石蠟噴涂時(shí)間為3m in。通過(guò)更換貼有不同粗糙度砂紙的平板來(lái)進(jìn)行不同粗糙度的氣膜冷卻和石蠟沉積實(shí)驗(yàn)研究。圖13給出了不同粗糙度平板表面石蠟沉積分布。從圖中可以看出，表面粗糙度從10μm到120μm變化，平板表面的石蠟沉積明顯加劇。當(dāng)k＝10μm時(shí)，平板表面的石蠟沉積最少，可能主要因?yàn)楣ぜ砻姹容^光滑，冷卻氣膜覆蓋比較穩(wěn)定，熔融石蠟不易穿過(guò)氣膜，因而黏附在平板表面的概率不大。而隨著工件表面粗糙度的增大，砂粒凸起也隨之增高，使石蠟顆粒更易黏附在砂粒凸起上，砂粒凸起會(huì)與主流氣體進(jìn)行對(duì)流換熱，使凸起的平板表面溫度更高，從而使更多的熔融石蠟粘附在平板表面，同時(shí)由于粗糙度增大，主流繞平板流動(dòng)的雷諾數(shù)增大，流動(dòng)更加不穩(wěn)定，從而加速了從氣膜孔射出的冷流和主流摻混，從而導(dǎo)致冷卻氣膜的效果衰退，所以k＝120μm的平板表面石蠟沉積最多。在k＝120μm時(shí)，氣膜孔下游基本都被石蠟顆粒覆蓋，而在緊鄰氣膜孔的條形區(qū)域內(nèi)，明顯可見(jiàn)，沉積都比較少。這可能是由于冷卻氣從氣膜孔出來(lái)后，受到砂粒凸起和沉積顆粒的阻力，冷卻氣體會(huì)向兩側(cè)擴(kuò)散，所以緊鄰氣膜孔的區(qū)域沉積會(huì)比較少。

圖14為沿氣膜孔下游中線的石蠟沉積的厚度，從圖中看出，在相同的X／D的位置，隨著粗糙度的增大，石蠟沉積厚度逐漸增大，其中在氣膜孔下游8mm處，粗糙度為10μm和120μm的沉積厚度相差約0.07mm，而越往下游，兩者的厚度相差越大，在氣膜孔下游64mm處，兩者的厚度分別為0.21mm和0.4mm，相差0.19mm。這主要是因?yàn)樵诮鼩饽た讌^(qū)域，氣膜形成較好，有效地抑制了沉積的生長(zhǎng)。沿氣膜孔中線的石蠟沉積厚度隨X／D的增大，石蠟沉積厚度成線性增長(zhǎng)。

圖13 不同粗糙度下氣膜冷卻平板表面的石蠟沉積覆蓋Fig.13 Paraffin deposition coverage on gas film cooling flat plate surfaces under different roughness

圖14 不同粗糙度下氣膜孔下游中線上的石蠟沉積厚度Fig.14 Paraffin deposition thickness on downstream midline of gas film holes under different roughness

圖15 不同粗糙度下氣膜冷卻平板表面沉積前后的紅外分布Fig.15 Infrared distribution of gas film cooling flat plate surfaces before and after deposition under different roughness

圖15為沉積前后的平板表面氣膜冷卻紅外圖像，無(wú)論沉積與否，隨著粗糙度的不斷增加，工件溫度逐漸升高。這主要是隨平板的粗糙度增大，冷卻氣流在近壁處的流動(dòng)紊亂，不能形成效果良好的冷卻氣膜，從而導(dǎo)致平板表面的溫度升高。相同粗糙度情況下，沉積前與沉積后對(duì)比，沉積后氣膜孔下游及兩側(cè)的區(qū)域溫度升高比較明顯，溫差最大處相差5℃左右，冷卻氣膜覆蓋下降。這是由于平板表面石蠟沉積后，會(huì)使平板表面更加粗糙，導(dǎo)致氣膜冷卻效果變差，同時(shí)，石蠟凸起與主流之間熱量傳遞較光滑平板更多，從而使平板溫度升高。

圖16為沉積前后沿氣膜孔下游中線的氣膜冷卻效率曲線。隨著距氣膜孔的距離逐漸增大，氣膜冷卻效率逐漸減小，比如在沉積情況下，粗糙度為10μm時(shí)，在氣膜孔下游8mm處，氣膜冷卻效率為17.13%，在64 mm處氣膜冷卻效率已經(jīng)減少到了7.73%。這主要是由于遠(yuǎn)離氣膜孔位置的冷卻氣體覆蓋較少，導(dǎo)致平板表面的溫度較高。相同X／D的位置，沉積前后，隨著粗糙度的增大，氣膜冷卻效率逐漸下降，其中在沉積情況下，粗糙度為10μm和120μm的氣膜冷卻效率相差大概2%，這與前面觀測(cè)的平板表面紅外圖像趨勢(shì)一致。在粗糙度一樣的情況下，沉積后的氣膜冷卻效率要比沉積前的氣膜冷卻效率低5%左右，距氣膜孔越遠(yuǎn)，兩者的冷卻效率相差越大。

圖16 不同粗糙度下氣膜孔下游中線上的氣膜冷卻效率曲線Fig.16 Gas film cooling efficiency curves downstream m idline of gas film holes under different roughness

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)在小型風(fēng)洞中進(jìn)行，通過(guò)保持石蠟顆粒物的熔融狀態(tài)，來(lái)模擬渦輪中顆粒沉積最嚴(yán)重的情況，通過(guò)匹配Stk，來(lái)匹配不同粒徑顆粒的軌跡，通過(guò)對(duì)顆粒物在平板的沉積研究，得到以下結(jié)論：

1）無(wú)氣膜冷卻條件下，沉積物質(zhì)量隨著噴涂時(shí)間逐漸增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩，在沉積75m in的過(guò)程中，沉積質(zhì)量增大了7.91 g，增長(zhǎng)速度從0.134 g／min降至0.053 g／min，增長(zhǎng)速度下降了60.4%。

2）隨著氣膜孔孔徑的增大，氣膜孔下游的石蠟沉積覆蓋逐漸減少。沉積前后氣膜冷卻效率都隨孔徑的增大而增大，氣膜冷卻效率最大相差4.7%。

3）平板表面粗糙度增大，石蠟顆粒更易發(fā)生沉積，氣膜冷卻效率減小。在噴涂時(shí)間為3 min時(shí)，k＝10μm和k＝120μm的最大沉積厚度分別為0.21mm和0.40mm，相差0.19mm。相同粗糙度下，沉積前后氣膜冷卻效率相差5%左右。

4）氣膜孔下游，距氣膜孔越遠(yuǎn)，沉積越嚴(yán)重，顆粒沉積厚度越大，氣膜冷卻效率越小，沉積后的氣膜冷卻效率較沉積前低。