热障涂层脱落和缺陷对气膜冷却的影响分析论文

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1、热障涂层脱落和缺陷对气膜冷却的影响分析毕业论文目录1绪论11.1研究的目的和意义11.2国内外研究成果12数值模拟方法42.1数值模拟的求解基本过程42.2建立模型42.3网格划分62.4紊流模型及边界条件的设定73数值模拟结果及讨论83.1气膜冷却基本概念83.1.1气膜冷却原理83.1.2气膜冷却效率83.1.3吹风比83.2吹风比对标准模型冷却效率的影响83.3表面沉积对气膜冷却影响103.3.1沉积高度对气膜冷却效率的影响123.3.2吹风比对沉积模型冷却效率的影响143.4表面裂纹对气膜冷却的影响173.4

2、.1裂纹对冷却效率的影响173.4.2吹风比对冷却效率的影响193.5堵塞对气膜冷却的影响203.5.1堵塞对冷却效率的影响203.5.2阻塞尺寸对气膜冷却的影响224结论与展望244.1表面畸变对气膜冷却的影响244.1.1表明沉积24ii4.1.2表面裂纹244.1.3管道堵塞254.2研究过程中的不足及一些改进措施254.2.1建模的改进254.2.2建模方法26参考文献27致谢29附录：外文翻译资料30ii中国民航大学本科生毕业设计（论文）1绪论1.1研究的目的和意义燃气涡轮发动机是一种热机，是将燃油燃烧所释

3、放出的热能转变成机械能的装置。从燃烧室开始，其后各部件都工作在高温燃气的环境中，这些部件统称为热端部件。涡轮安装在燃烧室后面，其功用是将高温燃气中的部分热能和压力势能转变为功，去带动压气机和附件。被高温燃气所包围的高压涡轮工作叶片，承受着高温、高压和高转速所引起的载荷。随着航空燃气涡轮发动机向着高流量比、高推重比的方向发展，涡轮入口温度不断提高，这时燃气温度远远超过涡轮材料的许用温度，因此必须采取有效的冷却措施对涡轮加以保护。航空燃气涡轮发动机高温部件热防护的主要技术主要包括两个方面：一是采用空气等介质进行有效的冷却

4、，二是采用耐高温材料进行隔热[1]。现代高功率发动机的高压涡轮叶片、一级导向器以及燃烧室壁面会综合运用以上两种冷却措施对发动机部件进行保护。燃气中污染物沉积容易造成涂层表面脱落。飞机燃油中的硫、酸、添加剂、杂质等物质对涡轮叶片造成沉积和腐蚀。在发动机运转过程中，热气路中的污染物处于熔融状态，它会引起气膜孔堵塞和金属氧化所引起的断裂。表面污染物的主输送模式取决于污染物的尺寸和状态。由于气膜冷却孔周围区域的温度相对较低，沉积物更容易附着在孔表面附近。一些情况下，表面沉积物会延伸到气膜冷却孔内部导致部分或完全的孔堵塞。此外

5、，堵塞从表面分离时能剥离热障涂层导致裂纹.使涡轮输出高功率需要更高的入口温度，气体温度的增加提高了沉积的速率[2]。燃气涡轮发动机中的热障涂层长时间在高温条件下工作会出现鼓包、氧化剥落等失效情况。这些失效会导致热障涂层隔热效果降低，壁面条件的改变会影响到流场的结构和速度分布进而影响到气膜冷却的效果。发动机的工作状态直接影响着航空器的安全，因此，了解叶片热障涂层表面畸变对气膜冷却的影响非常重要。1.2国内外研究成果气膜冷却的研究开始于四十年代，但是直到六十年代初期才应用与燃气涡轮叶片的冷却上，目前已经成为广泛应用、最有

6、效的冷却措施之一。这种防护性的冷却技术，不仅可用于叶片冷却，还在燃气轮机的主燃烧室、加力燃烧室、火箭发动机喷管以及其他高温部件的冷却中得到广泛的应用。近年来国内外学者对气膜冷却进行了大量的研究。戴萍等人[3]，在吹风比M为0.6和1.2-52-中国民航大学本科生毕业设计（论文）的情况下，数值模拟了圆柱孔、前向扩张孔、开槽前向扩张孔及新型缩放槽缝孔结构对涡轮叶片气膜冷却效果的影响，得到了气膜孔几何形状附近的流场分布。刘存良等人[4]，对圆柱孔和扇形孔，进行了数值模拟对比研究，深入解释了流场中所产生的不同涡对气膜冷却的作

7、用，揭示了收缩-扩张形孔提高气膜冷却效率的机理。研究发现，圆柱形孔的射流生成了较强的耦合涡，耦合涡会降低气膜的冷却效率；收缩?扩张形孔形成了与圆形孔及扇形孔射流相比作用相反的耦合涡，这种涡使气膜更好地贴附于壁面，提高了冷却效率。同样李广超[5]等人，也指出了圆柱孔中对射流冷却的有害涡流动结构，通过数值模拟发现双出口孔射流能形成有利于冷气贴附在壁面的涡结构。Baheri等人[6]，对埋入表面横向凹槽内离散气膜孔的冷却特性进行了研究，横向槽强迫一部分冷却气流在凹槽向展向扩散后在流过平板上表面，其下游边缘凸台可以降低或破坏

8、气膜出口的涡对运动，与常规气膜孔相比，带横向凹槽的气膜孔对下游壁面的防护作用有显著的改善。得到同样结论的还有Lu[7]等人。章大海等人[8]，运用数值模拟的手段，从流动特性和冷却特性两方面评价了5种开槽气膜冷却孔结构的优劣。从流动的机理的角度，揭示了不同横槽结构对气膜冷却效率和流量系数的影响，研究表明：开横槽后，气膜出口下游的冷却效率得到不同程