船用燃气轮机冷却涡轮颗粒沉积及气热性能衰退机理研究

Particle deposition is the main reason for the aerothermal performance degradation for cooled turbine of marine gas turbine, it is also the main factor that determines the service life of cooled turbine vanes. Therefore, the influence of particle deposition should be considered for the cooling system design of high-temperature turbine. In this project, the particle deposition and the aerothermal performance degradation which have significant impact on design of a cooled turbine with high efficiency and long-life are taken as starting point. Based on the particle dynamics characteristics and the interaction between particle and wall in air-cooled turbine cascade, the criteria of adhesion, rebound, detachment and deposition between the particle and the turbine vane surface are established. Then the deposition model that takes into account both the temperature field and the velocity field is constructed. The reconstruction method of blade profile after deposition is established based on the stochastic function and the mesh reconstruction method. Effects of surface deposition, thermal barrier coating spallation and hole blockage on cooling film coverage, coolant diffusion and aerothermal performance degradation of cooled turbine are analyzed. The coupled optimization design method of film cooled endwall including the secondary flow, the endwall profiling, the heat transfer and cooling characteristics and the particle deposition on endwall is achieved. The relevant research results will provide a solid theoretical basis for reducing the impact of particle deposition on cooled turbine and improving the work adaptability of marine gas turbine.

颗粒沉积是造成船用燃气轮机冷却涡轮气热性能衰退的主要原因，同时也是决定冷却涡轮叶片使用寿命的主要限制因素，因此船用燃机高温涡轮冷却系统设计时需要考虑颗粒沉积的影响。本项目以船用燃机高效长寿命冷却涡轮气热设计所面临的颗粒沉积及气热性能衰退问题为切入点，从冷却涡轮叶栅通道内的颗粒动力学及颗粒与壁面相互作用特性出发，提炼颗粒与冷却涡轮叶片表面相互作用的黏附与反弹以及剥离与沉积准则，在此基础上构建兼顾温度场和速度场影响的颗粒壁面沉积模型，并基于随机函数和网格重构方法建立壁面沉积形貌的再造方法，掌握颗粒沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞等典型损伤条件下的冷却涡轮气膜覆盖、冷气掺混及气热性能衰退规律，建立兼顾叶栅端壁二次流动、端壁造型、传热冷却特性及颗粒沉积的端壁气膜冷却耦合优化设计方法。相关研究成果将为削弱冷却涡轮颗粒沉积的影响及改善船用燃机冷却涡轮海洋工作适应性提供坚实的理论基础。

船用燃气轮机，长期工作在高盐、高湿的海洋环境中，燃气中掺混的杂质在高温工作环境下生成的硫化物会与盐雾的主要组成部分氯化钠发生化学反应生成熔融状态的硫酸钠，这些熔融杂质颗粒随同主流进入叶栅通道，破坏涡轮叶片表面的隔热涂层，并加剧合金的腐蚀，颗粒沉积在叶片表面不仅会影响表面的流动传热特性还会造成涡轮叶片烧蚀。.本项目以分析随主流燃气进入涡轮叶栅通道内的颗粒的动力学和颗粒与壁面相互作用的特性为出发点，探究了颗粒与表面碰撞后发生粘附与剥离以及沉积与反弹相互作用准则，包括颗粒-壁面碰撞动力学特性的分析和预测。在此基础上构建相应的颗粒-壁面沉积模型进行数值模拟计算。通过考虑颗粒与接触壁面的材料属性、颗粒的撞击速度、角度、粒径等相关因素，计算颗粒的恢复变形做功和壁面粘附力做功，最终得到颗粒反弹速度的法向和切向恢复系数，建立了相应的颗粒碰撞动力学预测模型。.对于无气膜冷却结构的叶栅通道内，在临界速度模型下，随动量Stokes数增大，叶片表面和端壁处的颗粒沉积效率先保持不变后开始减小。在临界黏度模型下，随着动量Stokes数的增大，叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率都不断增大，而上端壁处先增大后减小，最后再增大。吹风比的增大不一定会改善叶片表面的颗粒碰撞效率，相反有可能会增加颗粒的碰撞效率，但会减小叶片表面的颗粒沉积效率，对于上下端壁处和叶片表面的颗粒捕获效率的影响并不相同。.对于平板而言，在同一吹风比下，颗粒碰撞效率随沟槽深度的增加而增大。不同沟槽深度对颗粒沉积分布和气膜冷却效率的影响在不同吹风比下有所差异。对于叶片而言，在同一吹风比下，0.8d沟槽的存在使得叶片压力面颗粒碰撞效率有所增加，但颗粒的沉积捕获效率都有所降低。在小吹风比下，沟槽结构的存在使得气膜孔出口冷气从下端壁向上端壁偏离，气膜冷却效率有所提升。随着吹风比的增加，虽然沟槽内的气膜冷却性能有所下降，但是沟槽下游的气膜冷却性能也要优于原始结构。