热斑效应下航空发动机热障涂层涡轮叶片CMAS沉积规律的实验研究

The gas flow temperature distribution are usually seriously non-uniform at the exit of aero engine combustor. Migration of hot streak intensifies the complexity of the unsteady flow and heat transfer in turbine stage, and thus effect the diffusion and deposition process of CMAS particle in turbine stage which may leads to the deterioration of gas turbine performance and reliability. The main factors and their influence on deposition rate and deposit form will also be studied through the experiment of CMAS particle deposition on plane plate with thermal barrier coatings. With consideration the effects of the viscosity and velocity of particle, a newly particle deposition model will be established and verified with experimental data. Experimental study and numerical calculation of the CMAS particle deposition behavior on the thermal barrier coatings of the actual turbine blades will be carried out with the experiment on high temperature corrosion test rig and UDF module in Fluent code. The influence of relevant parameters on the deposition behavior of CMAS particles will be analyzed when the geometrical shape of the blade is changed and the gas film cooling existed. Furthermore, A newly hot streak simulation device will be developed and mounted on the high temperature corrosion test rig to accurately simulate flow temperature distribution. The influence of the characteristic parameters of hot streak on the deposition process of the static blade surface will be studied experimentally. The key influencing factors on deposition process of CMAS particle will be extracted, which could provided guidance for the optimization design of thermal barrier coating and film cooling.

航空发动机燃烧室出口温度场普遍分布不均，热斑加剧了透平内部非定常流动和传热的复杂性，影响颗粒在叶栅内的扩散与沉积过程，导致发动机性能恶化及可靠性损伤。本申请项目通过平板状TBCs试样表面的CMAS颗粒高温沉积实验，确立影响沉积的主要因素及其对沉积速度、沉积形态等的影响规律；综合考虑粒子粘度与速度值对沉积的影响，建立CMAS颗粒沉积的理论模型，通过实验修正理论模型；基于CMAS高温腐蚀实验模拟装置，结合UDF模块编制粒子的沉积模型，对实际涡轮叶片热障涂层的CMAS颗粒沉积过程进行实验研究与数值计算，分析叶片几何形状改变以及气膜冷却存在时，相关参数对CMAS颗粒沉积行为影响机制的改变；改造CMAS高温腐蚀实验模拟装置，设计新型的热斑模拟器，实现热斑特性参数的精确加载，开展热斑作用下叶片表面的CMAS颗粒沉积实验，提炼出CMAS颗粒高温沉积的关键影响因素，为热障涂层及气膜冷却优化设计提供指导。

航空发动机及燃气轮机燃烧室出口速度场及温度场分布不均，热斑的存在加剧了透平内部非定常流动和传热的复杂性，影响颗粒在透平内部的扩散与沉积过程，导致发动机性能恶化及可靠性损伤。本项目设计了一种模拟热障涂层服役环境并实时检测其失效的试验装置，实现热障涂层高温、冲蚀、腐蚀服役环境的一体化，静态、动态服役环境的一体化，服役环境模拟与实时检测的一体化。综合考虑颗粒粘度与速度对颗粒沉积的影响，以近壁区域流场处理、颗粒/壁面相互作用及颗粒受力为建模重点，采用欧拉-拉格朗日方法，建立了适用于稀疏两相流的计算方法及CMAS颗粒沉积模型。基于上述试验装置及低温颗粒沉积装置，开展了气膜平板实验对理论模型进行修正，为数值计算打下基础。以C3X导叶为研究对象，对颗粒在近壁区受力及其在壁面沉积规律开展稳态沉积模拟。重点研究了无气膜冷却、前缘气膜冷却、下游气膜冷却以及复合气膜冷却方式对金属叶片及涂层叶片冷却性能以及CMAS颗粒沉积特性的影响机制，探讨并总结了高压叶栅通道内部CMAS颗粒沉积分布的主要原因。分析了均匀进口温度、热斑、旋流以及热斑耦合正/反方向旋流等工况因素对热障涂层叶片表面CMAS颗粒沉积的稳态沉积机理。采用非稳态沉积计算方法，对热斑时序效应以及动静叶非定常干涉作用下热障涂层动叶表面附近颗粒的沉积特性进行数值模拟，探讨高压叶栅通道内动叶表面CMAS颗粒沉积分布的主要影响因素，并总结出了颗粒在热障涂层动叶表面非稳态沉积机理。对燃烧室和涡轮耦合作用下高压涡轮级气热性能、CMAS颗粒在热障涂层叶片表面的稳态沉积机理进行计算研究，重点探讨了燃烧室和涡轮耦合作用下贫燃预混燃烧器旋流数对CMAS颗粒沉积的影响规律，总结出了燃烧室和涡轮相互下颗粒在热障涂层表面CMAS颗粒非稳态沉积机理。本项研究为应对新一代航空发动机燃烧室和涡轮一体化设计的战略需求，可以为燃烧室和涡轮相互作用下高压涡轮级内CMAS颗粒沉积特性研究以及涡轮级鲁棒性气热性能分析和冷却设计提供参考。