两机叶片丨西交大丰镇平教授：燃气轮机双层壁叶片表面颗粒污染物的非稳态沉积特性研究
研究背景 燃气轮机在实际服役过程中不可避免地通过进气吸入外界颗粒污染物（比如地面砂粒、灰尘及大气颗粒物等）。虽然燃气轮机进气系统安装有过滤装置，但难以完全杜绝微小颗粒进入燃气轮机。颗粒物在燃气轮机中会给压气机、燃烧室及透平等部件造成不同形式和程度的损害。在透平中，颗粒物因被高温熔化，易于在叶片表面发生沉积，导致透平气热性能发生退化。随着燃气轮机运行压比和温度的不断提高，透平中颗粒物的沉积问题必将更加突出。此外，为了保护透平叶片不被高温烧蚀，叶片将采用集 合多种冷却形式的双层壁冷却结构。双层壁冷却叶片中各冷却单元相互干涉与耦合，导致其金属温度分布愈加复杂，给透平颗粒物沉积效应的研究带来了更加严峻的挑战。 解决的问题及创新点 本文针对双层壁冷却透平叶栅的颗粒物沉积效应，在某重型燃气轮机真实运行工况下，采用非定常流热耦合数值模拟方法分析了颗粒物在透平叶栅中的非定常迁移规律及在叶片表面的动态沉积特性，进一步针对双层壁冷却叶片复杂的冷却结构及金属温度分布，掌握了燃气温度、颗粒物粒径及组分对其沉积特性的影响机制，研究结果为颗粒物影响下的高效透平气热设计奠定了基础，并为燃气轮机的运行维护及提高燃气轮机的环境适应性提供了指导。 总结与展望本文研究得到的主要结论有：冲击孔、扰流柱以及气膜孔等冷却结构相互耦合干涉，在叶片表面产生复杂的温度分布。大部分颗粒因惯性撞击到了叶片压力面。随着运行时长的增加，压力面前缘和后弦区域沉积量较大。颗粒物及叶片的温度随燃气温度的升高而升高，导致沉积概率增大，但沉积增长率逐渐下降。增大颗粒尺寸导致颗粒的随流性减弱，颗粒更容易脱离主流撞击叶片表面发生沉积。当粒径从1 μm增加到20 μm，压力面上的沉积效率增长了74.9 %，气膜孔下游的低沉积区消失。黏度较大的颗粒撞击叶片表面后难以发生“形变”，导致其在壁面上沉积概率降低。软化温度提高100 ℃，沉积效率下降了22.0 %。本研究虽然采用非定常数值模拟方法掌握了双层壁冷却叶片表面的颗粒物非稳态沉积特性，但透平中的颗粒物沉积问题复杂且现有沉积模型的预测精度较低，试验测试能够提供更加准确可靠的结果。为此，本团队搭建了颗粒物沉积高温试验台，后续将在接近叶片真实高温条件下采用实际颗粒研究复合冷却结构的颗粒沉积效应，积累特征试验数据，建立预测精度更高、适用性更广的沉积模型。 团队介绍 西安交通大学能动学院叶轮机械研究所TurboAero团队由丰镇平教授领衔，长期从事叶轮机械气动热力学与热端部件冷却技术、气热耦合优化、气固两相流中的沉积效应与换热强化效应等相关的教学与基础研究。团队现有教授3人、副教授2人、助理教授1人，近年来主持国家“两机”重大专项项目/专题/条件建设项目共8项、国家自然科学基金委重点/面上/青年项目8项以及企业院所委托的“两机”项目多项，教学和科研成果分别获国家级教学成果奖二等奖（2项）、陕西省高等教育教学成果奖一等奖和国防科技进步一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖、国际优秀论文奖（SAGE Best Paper Prize）等。 通讯作者：杨星，西安交通大学，副教授，于2018年10月加入TurboAero团队，2021年11月至2023年10月在德国斯图加特大学从事博士后研究工作，2023年11月至今先后担任德国斯图加特大学航天热力学研究所（ITLR）和飞机推进系统研究所（ILA）副研究员；主持国家自然科学基金（面上/青年）和国家“两机”专项专题等各类科研项目9项，参与国家自然科学基金重点项目、“两机”相关课题及企业委托项目、德国研究基金会（DFG）合作研究项目（SFB-TRR 364: SyTrac）共10余项；发表学术论文106篇，其中SCI论文44篇（第一作者33篇/通讯作者6篇）；申请专利15项（授权3项）、登记软件著作权4项；担任《International Journal of Rotating Machinery》副主编、《推进技术》和《热能动力工程》青年编委；先后入选国家“博新计划”、德国洪堡学者、西安交通大学第七届“十大学术新人”；曾获GPPS Service Award、ASME YETEP Award、ASME IGTI Student Scholarship和“航空强国中国心”创新奖学金。 近几年论文 [1]YANG X, HAO Z, FENG Z P. Influences of particulate deposition on vane trailing-edge film cooling: adiabatic and overall cooling effectiveness[J]. ASME Journal of Turbomachinery, accessed January 10, 2025.[2]YANG X, HAO Z, FENG Z P. Evaluation of particulate deposition effects on film cooling using conjugate heat transfer methods: an experimental and numerical study[J]. ASME Thermal Science and Engineering Applications, accessed January 10, 2025.[3]YANG X, HAO Z, FENG Z P. Experimental characterization of particulate deposition on turbine vane leading-edge models with various showerhead cooling geometries[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2025, 210: 109595.[4]YANG X, HAO Z H, FENG Z P. Experimental assessment of film cooling from cylindrical holes subject to particulate deposition[J]. Experimental Thermal Fluid and Science, 2024, 154: 111155.[5]YANG X, HAO Z H, FENG Z P, et al. Conjugate heat transfer evaluation of turbine blade leading-edge swirl and jet impingement cooling with particulate deposition[J]. ASME Journal of Turbomachinery, 2024, 246(1): 011003.[6]HAO Z H, YANG X, FENG Z P. Unsteady modeling of particle deposition effects on aerodynamics and heat transfer in turbine stator passages with mesh morphing[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2023, 190: 108326.[7]YANG X, HAO Z H, SEIBOLD F, et al. Particulate deposition effects on internal swirl cooling of turbine blades[J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2023, 145(5): 051020.[8]YANG X, HAO Z H, FENG Z P. An experimental study on turbine vane leading-edge film cooling with deposition[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 198: 117447.[9]YANG X, HAO Z H, FENG Z P. Variations of cooling performance on turbine vanes due to incipient particle deposition[J]. IMechE, Part A: Journal of Power and Energy, 2021, 235(8): 1832-1846.[10]HAO Z H, YANG X, FENG Z P. Unsteady simulations of migration and deposition of fly-ash particles in the first-stage turbine of an aero-engine[J]. Aeronautical Journal, 2021, 125(1291): 1566-1586.声明: 本文来源于推进技术, 仅供交流分享, 若涉及版权等问题请留言, 我们会及时处理 来源：两机动力先行
