热障涂层对气膜冷却影响的数值研究

涡轮叶片常采用气膜冷却和热障涂层协同配合的方式以进一步提升其耐温性能。由于热障涂层的低导热特性,不仅阻隔了主流燃气的加热,同时还削弱了气膜冷却,引发了二者间的矛盾。本文围绕着该矛盾问题,基于气膜绝对覆盖面积的概念,提出了对热障涂层涂敷区域进行优化设计的思想,通过涂层对气膜覆盖的避让来进一步强化冷却。构建了五种采用不同冷却措施组合的研究模型,并推导了考虑涂层后的对流换热系数简便等效折算方法。通过数值仿真获得了不同吹风比工况下各模型的壁面(T_W2)温度分布和综合冷却效果(η)变化曲线。评估了采用涂敷区域优化带来的收益：在吹风比为0.8的工况下,可使综合冷效相对优化前最大提升2.13%。     

高温平板气膜冷却流热耦合数值模拟

本文采用流热耦合的数值计算方法,对某高温平板气膜冷却实验台试验段进行了数值模拟,主要研究内容包括:数值预测热障涂层对超级合金平板的热保护作用、主流加入水蒸气后对气膜冷却效果的影响以及平板内部温度沿板厚方向分布的特点.通过对数值模拟结果的分析发现,热障涂层能够有效地保护超级合金平板表面;主流加入水蒸气后气膜冷却效率会降低.此外,在射流孔附近区域,平板内部温度沿板厚方向的分布是非线性的,越远离射流孔,该温度分布越接近线性.     

综合冷却效率多参数影响分析

先进的透平冷却技术趋于复杂化、多样化,冷却系统的综合冷却效果是各冷却部件共同作用的结果。本文针对冷却传热构建基于冷气温升系数和内外换热比的一维耦合传热关联式,并借助绝热/耦合实验结果进行适用性验证,进而进行综合冷却效率的多参数影响定量分析和敏感性分析.研究表明,所构建的一维耦合传热模型能够分离各局部冷却参数的影响·,其在预测综合冷却效率上与实验测量结果吻合较好,其适用性得到验证·;各局部冷却参数中,气膜效率、内部换热系数、热障涂层毕渥数与综合冷却效率正相关,冷气温升系数,金属毕渥数与综合冷却效率负相关;热障涂层的存在会削弱内外冷却参数的敏感性;通过对综合冷却效率等值线图的分析,可以进一步得到各参数细节的定量及敏感性分析结论。     

曲面对层板/热障涂层耦合结构冷却特性的影响

先进的双层壁化叶片表面喷涂热障涂层是提升未来航空发动机热效率的关键技术之一。本文利用数值模拟探讨了壁面曲率对涂敷热障涂层的双层层板冷却结构体系中各热防护措施(包括：气膜冷却、内部近壁换热及表面涂层隔热)的影响,并在不同热障涂层厚度和冷/热气流吹风比下,开展了金属表面综合冷却效率(?)和TBC热防护效率(τ)对壁面曲率的敏感性分析。结果表明：曲面对气膜效率和热障涂层热防护作用影响较大,但几乎不会影响内部传热。凸面模型具有最高的气膜效率,而在凹面模型中使用热障涂层会产生最大的?增量。整体来看,凸面具有最高的?和τ,凹面下这两种效率均最低。吹风比增加会显著降低?和τ对曲面的敏感性。热障涂层厚度增加会削弱?对曲面的敏感性,但会增强τ对曲面的敏感性。     

燃烧室温度剖面对静叶端壁冷却的影响

为了降低污染物排放,燃气轮机燃烧方式的改变所带来的透平进口温度剖面的改变,会对透平一级静叶冷却带来较大的影响。本文根据真实燃气轮机透平入口的温度条件,抽象出三种具有代表性的燃烧室出口温度剖面,分别研究其对端壁冷却的影响。结果表明,燃烧室出口温度剖面会对静叶端壁近压力面侧、吸力面的上下角区温度分布造成较大影响。     

模拟叶片前缘的复合冷却实验研究

提高涡轮前温度可改善发动机性能。当前国外先进航空发动机的涡轮前温度已提 高到1700K左右。远远超过了材料容许的温度,这就必须采用有效的冷却技术。在涡轮叶片上以冲击-气膜复合冷却应用得最为广泛。在国内外发表的一些文献中,对纯冲击冷却及纯气膜冷却都曾进行过大量研究。但目前对冲击-气膜复合冷却的研究公开发表的文献尚不多见。本文仅就叶片前缘的冲击-气膜复合冷却的机理通过实验作初步的探讨。     

多场耦合下透平冷却高温影响特性

透平进口温度持续提高,使得实验测试条件难以实现全温全压的测量,往往采用降温降压工况。本文采用耦合数值方法,分别针对耦合气膜冷却平板及耦合叶栅模型,分析多场耦合下的高-低温传热特征,探索透平冷却温度水平影响特性及机理。研究表明,综合冷却效率分布受金属、流体物性及内外部冷却多方面综合影响;比较无量纲参数相同的高-低温工况,高温使得有TBC涂层时综合冷效偏高,无TBC涂层时综合冷效偏低;无量纲参数相同的高-低温工况,在平板上综合冷却效率分布规律基本一致,在叶栅表面压力面和前缘较为一致,其余部分相差较多;在一定的温度差距内,高-低温工况结果仍可保持一定的一致性。     

进口温度不均匀对气冷涡轮叶片传热的影响

本文对带有复合冷却结构的航空燃机高压涡轮导向叶片进行了气热耦合数值模拟研究,分析了温度径向分布不均匀和存在"热斑"涡轮进口条件下对气冷涡轮叶片传热的影响,研究发现进口温度径向不均匀分布在涡轮叶片径向中上部形成相对集中的带状高温区域,并使下游气膜冷却效果降低,热斑的存在进一步加剧对叶片局部区域的热冲击,复合冷却结构能够比较有效地降低由于进口温度不均匀所形成叶片表面局部高热区域的热负荷。     

陶瓷涂层叶片与内冷强化的性能分析

虽然陶瓷本身具有良好的耐热性能,但粘结剂的温度限制要求加强叶片的内部冷却。本文分析了内冷强化对陶瓷涂层效能的重大影响,提出了加强叶片冷却的几个措施,并通过计算作出了不同冷却条件下叶片前驻点温度与陶瓷涂层厚度的关系曲线。最后利用斯贝MK202发动机一级导向叶片的有关参数对陶瓷涂层叶片进行冷却计算,计算结果表明了采取强化冷却措施后的陶瓷涂层叶片的优良性能。     

Ta／WS／Sn复合涂层等离子喷涂工艺研究

运用等离子喷涂技术制备多层屏蔽复合涂层，根据钽、钨、锡材料的物理特性及工艺特点，分别设计了自动喷涂工艺，既保证了涂层的性能，又提高了喷涂工艺的重复性；在喷涂区域使用氩气保护装置制造局部隋性气氛，简便有效地控制了涂层材料在高温等离子体喷射过程中的氧化：综合使用温度测试、力学拉伸、金相组织及化学成分等分析方法，综合考虑优化喷涂功率、喷涂距离等喷涂参数对基体温度、涂层中氧化物含量、涂层密度的影响，优化喷涂工艺参数，制备出厚度均匀、绢织致密的Ta／W/Sn复合涂层。     

激光作用下环氧/硅树脂复合涂层的1.3μm反射特性研究

利用共轭反射计装置,开展了真空环境中激光作用下环氧/硅树脂双层结构复合涂层的1.3μm反射特性研究,测量得到了涂层反射率随样品背表面温度的变化曲线。通过有限元分析和界面热阻修正得到了反射率随涂层温度的变化关系,探讨了反射率随温度的变化机理。研究结果表明,红外连续激光损伤环氧/硅树脂复合涂层,主要表现为底漆热解引发的鼓包分层和面漆热解导致的烧蚀变色;常温下涂层对1.3μm激光的反射率约为0.80,激光辐照初始时变化不明显,鼓包前后出现波动,测量区涂层鼓包、烧蚀后反射率显著下降,最终保持在一个相对较低值;反射率变化与涂层热解过程、损伤方式密切相关,涂层对1.3μm激光的反射率变化存在3个特征温度,分别对应底漆热解、面漆热解和表面状态趋于稳定时的温度。     

涡轮叶片冷却新方法

现代先进航空发动机涡轮叶片一般采用冲击 对流 气膜复合冷却方法,叶片构造愈来愈复杂,冷气量也愈用愈大。为了进一步提高涡轮进口温度,应该寻求新的冷却途径。本文建议采用强化叶片的内冷过程和利用添加剂减弱燃气向叶片放热两措施来改善冷却。下面分别叙述这些措施的依据和对斯贝MK202发动机一级导叶的温度计算。     

激光辐照热障涂层中平面应变问题的热弹性变分分析

 针对激光辐照热障涂层材料的平面应变问题，提出热障涂层热弹性分析的基本方程，对定常温度场给出级数形式解析解，并用最小余能原理和变分法分析了结构的热弹性应力场，研究了最大应力和界面应力的分布特征，并就一些物理参数的影响进行了讨论。结果表明，热障涂层的主要破坏因素为表面拉伸应力，界面应力相对较小，但在自由边界有集中现象，剥落应力大于剪切应力，是导致涂层破坏的重要原因。涂层厚度增加会改变厚度方向上的应力分布，界面应力向中心集中。     

激光重熔对等离子喷涂ZrO_2-20%Y_2O_3热障涂层隔热性能的影响

采用大气等离子喷涂(APS)技术在铝基体表面制备氧化锆(ZrO2-20%Y2O3,质量分数)热障涂层,并用脉冲激光对其进行重熔处理,研究了激光重熔对涂层组织形貌、物相转变和隔热性能的影响。研究结果表明激光的比能量对涂层的成型及性能有重要影响,过高的比能量会使涂层表面粗糙度增加,涂层成型变差。在选用合适的低比能量激光重熔条件下,扫描电镜观察结果表明经激光重熔可消除喷涂态涂层的孔隙和层状结构。对粉末和重熔前后的涂层进行了X射线衍射分析,结果表明喷涂及重熔过程中都没有发生相变;隔热试验结果表明重熔后涂层的隔热温度有所下降。     

CFETR内冷屏结构方案初探

基于现有冷屏结构,结合CFETR聚变堆装置的结构特点,提出了一种沿冷却板厚度方向钻冷却通道的深孔结构方案.对内冷屏各部件设计了并联加串联的特殊流道,采用有限元法计算了该方案内冷屏各部件的温度分布.结果表明,采用深孔法冷却方式,冷屏温度分布更均匀,降温效果更好.在输出辐射功率相近的条件下,深孔法的冷却方式可将表面辐射率上...     

透平静叶叶身全覆盖气膜冷却有效度实验研究

燃气轮机透平叶片气膜冷却性能受到吹风比、曲率、压力梯度等多种因素的影响。本文采用压力敏感漆(PSP)技术研究了燃气轮机静叶气膜冷却的冷却性能,实验测量了不同吹风比下全覆盖气膜的冷却有效度,并结合单排孔冷却的实验结果进行分析。结果表明：随吹风比增大,压力面冷却有效度递增,吸力面受曲率和压力梯度影响,冷却有效度先递增后递减;前缘射流在低吹风比下附壁效果较好,高吹风比下由于复合角造成冷气向中叶展汇聚;通过对比单排冷却的叠加结果与全覆盖实验结果的误差,研究了Sellers叠加模型在叶栅条件下的适用性。     

采用渐变微小通道的RBCC引射火箭复合冷却数值模拟研究

引射火箭是火箭基组合循环(RBCC)发动机重要组成部分,为RBCC发动机提供大推力的同时承载极高的热载荷。本文设计了火箭推力室复合冷却结构,采用再生和液膜冷却相结合的方式对火箭喉部进行冷却,再生冷却通道在收敛段和扩张段的宽度从微尺度到小尺度渐变分布。采用数值模拟的方法研究了该复合冷却结构耦合传热特性。结果表明:渐变微小通道的设计能够强化喉部换热,液膜冷却能够大幅降低入口及下游热流密度,有效控制壁温。     

微细管内超临界二氧化碳冷却换热研究

本文对超临界二氧化碳在微细管内冷却对流换热进行数值模拟研究,分析不同流动方向和管径大小对超临界二氧化碳对流换热的影响,考察管内局部流体温度、管壁温度以及无量纲温度分布的变化。湍流模型采用低雷诺数YS模型。研究表明,在LPV范围比较大的截面,超临界二氧化碳局部换热系数达到最大值,同时管内传热受流动方向和管径的影响均较大。     

发汗冷却过程中多孔壁面内的局部非热平衡分析

本文采用局部非热平衡模型对发汗冷却过程中多孔壁面内的换热和流动进行了数值模拟,分析了影响多孔介质内固体骨架与流体的温度及温差分布的因素,研究了这些因素对发汗冷却过程的影响规律.计算结果表明:增大固体骨架的导热系数、增大冷却剂流速或者加强冷端换热有利于提高发汗冷却效率.     

聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。