航空发动机涡轮颗粒物沉积效应及其与叶栅气热特性的耦合机理研究

Particle- and ash-deposition is considered to be detrimental to the safety, reliability and economic performance of an aero-engine as contamination in engine turbines can generate significant reductions in aerodynamics and cooling performance, and lifetime of the turbine component. Based on previous achievements in flow, heat transfer and cooling in turbine applications, this proposal aims at interaction mechanism between particle deposition and aero-thermal performance of the turbines. Experimental measurements and analytical methods are used to investigate migration of the particle in the turbine passage and its deposition on the airfoil surfaces and, relevant data are further used to develop numerical simulation tools for particle deposition in turbines. In addition, effects of deposition on aerodynamics and film or overall cooling effectiveness are conducted to reveal the interaction mechanism. A deep understanding of the mechanism not only help inhibit the reduction in aerodynamics and cooling performance by deposition, thus improving the economic performance of the engine, but also lays foundation for turbine advanced cooling designs which can reduce deposition of particle on blade surfaces.

大气颗粒和燃油燃烧灰烬等颗粒污染物在航空发动机涡轮中沉积会导致涡轮叶片服役寿命、气动效率和冷却性能严重下降，影响整机的安全性、可靠性和经济性。本项目在申请人前期完成的叶片流动换热与冷却机理研究的基础上，采用试验测量、数值模拟和理论分析，围绕高温燃气涡轮颗粒物沉积与叶栅气热特性的耦合作用机制开展研究。通过凝练高压涡轮颗粒物沉积涉及的关键基础科学问题，分析颗粒物在叶栅复杂流动中的迁移沉积规律，建立面向涡轮叶栅颗粒物沉积的数值预测计算工具，研究颗粒物沉积影响下叶栅的气热特性及退化机理，掌握颗粒沉积物与叶片冷却设计相互作用的耦合机制。研究结果的取得不仅可以减弱颗粒物沉积导致的涡轮叶栅气动效率和冷却性能的退化，提高航空发动机的经济性，还可为下一步研究能够抑制颗粒物沉积的叶片高效冷却设计方法奠定理论基础，对我国未来先进航空发动机的研发也具有十分的重要意义。

航空发动机在运行过程中不可避免地会吸入空气中的沙尘、火山灰等颗粒污染物，在高温高速燃气的作用下，颗粒污染物极易在涡轮部件中发生沉积，导致涡轮的气动效率和冷却性能严重下降，进而影响涡轮部件的经济性和可靠性，严重时甚至直接导致整个发动机发生故障。. 本项目针对颗粒污染物在高温燃气涡轮中发生沉积带来的技术挑战，围绕颗粒物沉积效应影响下叶栅气热性能退化的基础科学问题，开展了以下研究内容：1）搭建了涡轮叶栅颗粒物沉积效应机理研究试验台，可开展涡轮叶栅中颗粒物迁移沉积规律、颗粒沉积物与叶栅气动冷却的耦合效应等研究；2）自主建立了颗粒物在涡轮复杂气热环境中的迁移、沉积及其与叶栅气热耦合的数值预测完整计算框架，可应用于对涡轮部件在颗粒物污染环境中的运行性能进行快速评估；3）掌握了航空发动机真实运行条件下颗粒污染物在涡轮叶栅中的迁移及沉积特性，识别了颗粒物易于沉积的部位，为叶片冷气设计时气膜孔和除尘孔的位置选择提供了科学依据；4）获得了颗粒沉积物影响下叶栅气热性能的变化规律，揭示了沉积物与叶栅复杂气热环境的耦合作用机制，为设计对颗粒沉积物不敏感的高性能涡轮提供了理论指导；5）揭示了流热耦合换热条件下沉积物与叶片冷却设计相互作用的干涉机理，对比了颗粒污染物在沉积的早期和后期，其对叶片冷却的不同影响规律和作用机制，并系统总结了颗粒污染物在叶片外部和内部沉积时给涡轮部件带来的危害及其差异性。. 本项目按照研究计划高质量地完成了所有研究内容，取得了预期研究目标，获得的研究成果为开发颗粒污染物耐受的高性能涡轮奠定了理论基础，为航空发动机的适航取证提供了评估工具。