[发明专利]一种确定涡轮叶片微粒沉积部位的实验系统和方法

说明书

本发明提供了一种确定涡轮叶片微粒沉积部位的实验系统和方法，包括用于模拟涡轮叶片主流流场特征的主流通道、用于模拟涡轮叶片内部冷却流场特征的二次流通道和设置在主流通道和二次流通道气流出口的实验段，所述主流通道包括主流管路、主调节阀、槽道流量计、调温装置以及用于稳压的稳压箱，所述主调节阀、所述槽道流量计、所述调温装置和所述稳压箱依次连接，所述主调节阀的前端设有投放装置，所述干燥粉尘颗粒随着主流气体进入所述实验段；待测的涡轮叶片设置在所述实验段内进行沉积实验。本发明采用了干燥粉尘状固体粒子沉积进行实验，通过模拟涡轮叶片内部流场的两个流道和投放干燥粉尘颗粒的投放装置，实现了细颗粒的沉积形成。

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种确定涡轮叶片微粒沉积部位的实验系统和方法。

背景技术

在航空发动机工作环境中，除去偶发的油滴污染、粒子熔融相变以及化学腐蚀沉积之外，粒子的黏附机制和惯性撞击是物理沉积形成的主要原因，这是由于微细粒子和壁面均具有干燥的特征。微细颗粒在管壁上沉积分为两个不同的过程：一个是初始沉积层的形成过程，初始沉积层由易挥发的微小颗粒在管壁上的热迁移沉积作用而形成，这是由于微小飞灰颗粒相对于粗大颗粒具有高黏附速度的缘故；另一个过程则是较粗大的飞灰颗粒在惯性力作用下碰撞到管壁初始沉积层上，由于初始沉积层具有黏附性，它能不断捕获在惯性力作用下输送的飞灰颗粒，使沉积层厚度增长。

这种微粒沉积会导致涡轮叶片冷却结构的堵塞，从而影响涡轮叶片的冷却效果。特别地，对于微小尺度冷却结构面临着更为严重的外部微细颗粒侵入及燃气流中产生的氧化物微细颗粒所引发的沉积堵塞风险。所以准确呈现微细粒子在涡轮叶片的沉积部位，可以为评估微尺度冷却结构的工作可靠性和解决微尺度冷却结构中微粒沉积与堵塞问题提供理论支撑。已有研究表明，微细粒子在高温表面上的黏附能力极强，为了进行微细粒子在高温表面上的沉积分析，目前大部分针对微细颗粒沉积的实验研究基本采用两种途径：

其一，在高温气体、高温壁面实验环境中，用高浓度的微细颗粒进行沉积实验，譬如用高黏附性的飞灰微细粒子进行投放，这类实验方法的实验费用极高。

其二，在低温实验环境中，用具有高黏附性的微细颗粒进行沉积实验，譬如用高黏附性的蜡液滴模拟微细粒子的沉积，采用这类实验方法可以在较低的气流和壁面温度环境下进行试验。采用此类试验方法虽然易于短周期的沉积实现，可以获得高温壁面上粒子的沉积形貌来反应粒子沉积的一些定性特征，但由于蜡液滴对壁面的碰撞反弹性能与固体微粒相差很大，且对壁面基本完全粘附或熔融，因此试验模拟与真实物理过程之间的差异较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种确定涡轮叶片微粒沉积部位的实验系统，所述系统包括用于模拟涡轮叶片主流流场特征的主流通道、用于模拟涡轮叶片内部冷却流场特征的二次流通道和设置在主流通道和二次流通道气流出口的实验段，所述主流通道包括用于向实验段输入主流气体的主流管路，所述主流管路上设置有用于调节所述主流管路内气体流量的主调节阀和槽道流量计、用于调节所述主流管路内气体温度的调温装置以及用于稳压的稳压箱，所述主调节阀、所述槽道流量计、所述调温装置和所述稳压箱依次连接，所述主调节阀的前端设有用于向实验系统中投放干燥粉尘颗粒的投放装置，所述干燥粉尘颗粒随着主流气体进入所述实验段；待测的涡轮叶片设置在所述实验段内进行沉积实验。

本发明所提供的确定涡轮叶片微粒沉积部位的实验系统，还具有这样的特征，所述投放装置包括设置在所述主流管路外的粉尘容器以及与粉尘容器连接设置在所述主流管路内的格栅分布管，所述粉尘容器内的干燥粉尘颗粒随着压缩空气的输入进入所述格栅分布管，所述格栅分布管上均匀设有多个喷孔用于将干燥粉尘颗粒均匀散布在主流通道内。

本发明所提供的确定涡轮叶片微粒沉积部位的实验系统，还具有这样的特征，所述待测的涡轮叶片为模拟真实涡轮叶片的结构设置的模拟叶片。