張昊蘇， 姜玉廷， 陸松兵， 房一博， 鄭群

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

燃氣輪機工作過程中存在多種雜質對其產(chǎn)生不良影響。對于地面發(fā)電燃氣輪機，特別是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的燃機，燃料本身具有雜質，且這部分雜質在燃燒室中未完全燃燒，這都會使得大量的顆粒進入高溫渦輪。而針對艦船燃氣輪機，由于其長期工作在高鹽、高濕的海洋環(huán)境中，其燃燒室流出的高溫高壓氣體中會攜帶一些雜質顆粒，其主要來源于進氣氣體中摻雜的鹽霧和柴油燃料中的雜質，同時鹽霧中的成分會與燃料中的雜質在高溫條件下生成的硫化物發(fā)生化學反應形成NaCl、Na2SO4等顆粒物。這些顆粒沉積不僅會降低高溫渦輪通流面積導致發(fā)動機輸出功率下降，而且會破壞高溫渦輪葉片表面的保護性氧化層及隔熱涂層，加劇對葉片金屬的氧化，葉片金屬和顆粒中的硫元素作用后甚至形成硫化物，嚴重腐蝕破壞葉片基體合金。同時顆粒沉積還會改變冷卻渦輪葉片表面的流動傳熱特性并堵塞氣膜冷卻孔造成冷卻結構的局部失效，嚴重時甚至造成渦輪葉片燒蝕[1]。

鑒于顆粒沉積及熱腐蝕對燃氣輪機高溫渦輪氣熱性能及使用壽命的重要影響，美國國防部和能源部在20世紀50年代就已經(jīng)開始組織相關單位開展用于艦載飛機和艦船的燃氣輪機高溫渦輪葉片顆粒沉積的研究。美國國家能源技術實驗室和大學渦輪機系統(tǒng)研究機構每年都會針對高溫渦輪顆粒沉積問題進行專門的研討。隨著燃氣輪機由于高溫冷卻渦輪顆粒沉積及熱腐蝕造成的事故頻發(fā)，英國、意大利等國也開展了相關方面的研究。我國由于燃氣輪機使用和運行經(jīng)驗方面的欠缺，直至20世紀80年代才開始對該問題加以關注，針對高溫渦輪顆粒沉積及熱腐蝕機理的研究相對較為欠缺。盡管國內(nèi)相關文獻也對該問題進行了相應論述，但由于顆粒在高溫渦輪流道內(nèi)的流動壁面沉積特性較為復雜，還需要進一步研究。目前國外研究偏向于實驗與數(shù)值模擬相結合，通過兩者對比分析進而研究沉積機理及現(xiàn)象，當與對應葉片位置沉積效果相仿時[2]，可進一步預測沉積現(xiàn)象。國內(nèi)受限于實驗條件，實際實驗相對較少，多數(shù)以數(shù)值模擬為主要研究方式[3-4]。

本文調研了國內(nèi)外燃氣輪機高溫渦輪顆粒顆粒動力學研究成果，對比分析多種顆粒沉積模型的判斷標準、理論依據(jù)和適用范圍，歸納了影響高溫渦輪顆粒沉積的因素。同時介紹了部分國內(nèi)外顆粒沉積試驗臺及不同因素對顆粒沉積和葉片冷卻的影響，總結了燃氣輪機高溫渦輪顆粒沉積問題的研究熱點和發(fā)展趨勢。

1 顆粒動力學及沉積模型研究

燃氣輪機高溫渦輪工作環(huán)境惡劣，其中的雜質顆粒在流場的影響下存在能量耦合，這都使得其運動過程和沉積機理異常復雜[5]。當顆粒入射到渦輪葉柵流道中，可能隨主流流出或者觸碰到渦輪葉柵通道某一部分發(fā)生反彈或者沉積，而顆粒反彈或者沉積到表面的過程則是顆粒動力學研究的重點。

微小顆粒假定為球形或半球形進行處理，在法向方向上顆粒的碰撞過程依次經(jīng)歷完全彈性、彈塑性和完全塑性3個階段，而粘附作用可視為發(fā)生在碰撞的反彈階段，根據(jù)初始動能、粘附力損失及塑性變形損失可以進一步得出碰撞后的法向反彈速度。切向方向上顆粒的碰撞將經(jīng)歷滑動、滾動或者與壁面相對靜止的狀態(tài)，依據(jù)不同狀態(tài)下的切向沖量可得出與之對應的切向速度和角速度。最后根據(jù)法向和切向的速度變化得出顆粒反彈系數(shù)，進而得出相應的沉積率[5-6]。

1.1 顆粒碰撞動力學

顆粒的碰撞實際是一種能量的傳遞[7]。當顆粒入射后，其動能轉化成彈性勢能，顆粒碰撞后的狀態(tài)取決于這部分彈性勢能能否克服此過程中的能量損失。通過恢復系數(shù)和摩擦系數(shù)表征上述的能量損失[8]。法向發(fā)生完全碰撞的顆粒，假定其入射階段和反彈階段是可逆的，所以這種碰撞沒有能量損失，碰撞后顆粒的恢復系數(shù)為1。然而在實際的顆粒碰撞后，顆粒的恢復系數(shù)小于1，有2種代表性的顆粒碰撞能量損失模型[9-12]，分別是是粘彈性模型和塑性形變損失，粘彈性材料中接觸位移會隨著載荷的消失而變?yōu)?，塑性材料中當載荷為0時，會存在一段塑性位移。粘彈性會導致阻尼力，所以在粘彈性模型中會引入阻尼系數(shù)用于描述碰撞過程中顆粒的動力學特性。

早期部分學者基于接觸半徑和位移假設建立了彈塑性碰撞過程的法向力-位移描述模型，在對應碰撞速度與位移有限范圍內(nèi)可較好預測顆粒動力學特性，對于微小尺寸顆粒并不適用。存在其他半經(jīng)驗模型，可較準確預測毫米尺度顆粒在低速下的碰撞特性；另一方面，很多塑性變形損失模型[13-16]被用于預測顆粒彈塑性碰撞后的法向恢復系數(shù)，其中一些通過修正屈服強度和顆粒硬度等參數(shù)對原有模型進行改進，使理論預測和實驗結果吻合良好。除塑性變形之外，粘彈性、范德華力和摩擦力等多種能量損失理論和模型的發(fā)展進一步提高了顆粒碰撞模型的預測精度。

近年來實驗技術的不斷發(fā)展為微細顆粒碰撞理論驗證提供了有力保障[17-18]。其中，粒子跟蹤測速(particle tracking velocimetry，PTV)技術與粒子圖像測速(particle image velocimetry，PIV)技術應用較為廣泛。對于顆粒沉積問題的研究，無論是顆粒的運動特性還是能量交換，一定會涉及對應的速度測量，借助這類新型測速技術，部分學者也開展了顆粒沉積與碰撞等多種測試實驗[19-21]。

1.2 顆粒物沉積動力學

早期對顆粒沉積動力學的研究更多傾向于顆粒尺寸、入射角度和速度等因素方面，近年來該問題的研究已進入到更為細化的沉積模型研究[22]。

在部分溫度條件下，微米級顆粒低速撞擊靶材壁面的彈性現(xiàn)象和實驗所得數(shù)據(jù)較為吻合。顆粒在反彈的過程中受顆粒及葉片材料彈性模量的影響，而環(huán)境溫度是二者彈性模量的影響因素之一。借助實驗結果，Elbatsh[23]提出了一種計算彈性模量的相關方法。對于煤灰顆粒[24]也給出了一種計算彈性模量的方法。文獻[24-25]基于高溫葉片實際情況，即葉片上方溫度低于流體溫度影響彈性模量的溫度進一步修正。對于尺寸較小的顆粒，如果動能不足以克服塑性變形等阻力，則會沉積在壁面上。根據(jù)這種特性，定義了顆?；謴拖禂?shù)，用于判斷顆粒能否粘附在壁面，但僅適用于較低溫度下。為適用于高溫條件，即應用于高溫渦輪葉片的沉積，則重新定義了相應的彈性模量及泊松比[26]。粘附在壁面上的顆粒也有可能由于主流的影響剝離，當顆粒所受氣動力力矩大于粘附力力矩時，顆粒將會發(fā)生翻滾[27]。對于沉積過程中的顆粒流動，采用隨機軌道模型對高溫環(huán)境下渦輪壁面的顆粒沉積問題進行數(shù)值計算研究[28]，顆粒慣性、湍流擴散、布朗擴散及熱泳力等是決定顆粒輸運的主要因素。當僅考慮拖曳力的因素時，對顆粒的運動進行計算，發(fā)現(xiàn)顆粒運動主要與斯托克斯數(shù)St有關，當St較小時，顆粒隨流性好，不易沉積，而當St較大時，顆粒撞擊壁面的機率大大提高。St在本文后續(xù)仍將進一步闡述。

1.3 顆粒沉積模型

顆粒的沉積模型有助于闡述高溫渦輪葉柵內(nèi)部的顆粒沉積特性。Brach等[23]根據(jù)微米級球形顆粒低速傾斜撞擊靶材壁面的彈性特征進行分析，建立臨界速度模型。該模型存在的部分缺陷，文獻[23,29-30]通過改進楊氏模量計算公式、修正包含顆粒的氣體溫度等方法結合渦輪葉片實際情況進行了改進。改進后的臨界速度模型可同時考慮溫度場與速度場對沉積的影響。

Tafti等[31]基于顆粒自身粘度對沉積的影響，引入臨界粘度，結合顆粒成分與試驗溫度，提出臨界粘度模型。文獻[32]補充了顆粒在沉積過程中的碰撞現(xiàn)象，通過碰撞前后的顆粒速度表征能量變化，對原有模型進行改進，考慮了能量變化引起的顆粒屬性對應變化。

臨界速度模型與臨界粘度模型作為2種應用廣泛的沉積模型，在較多文獻中均有相關應用，圖1為在同一條件下2種不同模型的沉積云圖對比，由于兩者判斷沉積的條件不同，兩者沉積位置及沉積量略有差異。

圖1 臨界速度模型和臨界粘度模型沉積云圖對比[35]Fig.1 Comparison of deposition cloud images of critical velocity mode and critical viscosity model [35]

裴鈺[33]結合以上2種模型的優(yōu)點，選用局部動量St數(shù)作為判斷標準，將臨界速度模型與臨界粘度模型耦合，建立了沉積模型，此模型可同時考慮速度場和溫度場的影響。虞跨海[5]通過分析顆粒的碰撞過程，得出顆粒在反彈過程時的速度與角速度大小，借此判斷顆粒的沉積與反彈，對應出相對的沉積模型。此外，Hansen等[34]依據(jù)顆粒軟化程度建立顆粒軟化沉積模型，對部分飛灰顆粒的沉積模擬效果較好。使用不同沉積模型對比研究，由于沉積判據(jù)的不同，在沉積位置與沉積量都存在較大的不同，與實驗對比后可選擇更為適配的模型進行計算[35]，不同沉積模型的適用范圍及不足分析見表1。

表1 不同沉積模型介紹Table 1 Introduction of different deposition models

建立合適的沉積模型對于顆粒沉積現(xiàn)象數(shù)值模擬至關重要。目前，絕大部分沉積模型都具有一定的局限性，僅能在部分溫度或部分顆粒條件下使用，缺乏一種可以包含多種判據(jù)條件的經(jīng)驗公式。鑒于這種情況，國內(nèi)外較為傾向于使用一種組合模型，通過結合臨界速度模型和臨界粘度模型，同時引入顆粒速度與臨界速度比值和顆粒完全融化溫度，有效避免溫度過高、法向速度過快等造成的沉積預測誤差。但這種模型判據(jù)繁瑣，仍需繼續(xù)對沉積模型進行優(yōu)化改進，建立一種普適性更強的模型。

2 顆粒沉積的影響因素研究

國內(nèi)外針對顆粒沉積的研究普遍使用2種方式：1)采用相似?；?，使用和沉積顆粒成分相仿的物質在高溫下加速沉積模擬沉積過程；2)使用CFD計算程序進行顆粒沉積數(shù)值模擬。對于高溫渦輪顆粒沉積的實驗，研究成本相對較高。經(jīng)過多年研究探索，多所科研機構在顆粒沉積實驗方面的技術十分成熟，Smith等[36]發(fā)布的顆粒加速沉積試驗臺(turbine reacting flow rig，TuRFR)設施試驗段如圖2所示。試驗系統(tǒng)采用天然氣作為燃料，實驗溫度可達1 127 ℃，可在此溫度環(huán)境下對顆粒在渦輪上的沉積以及對葉片冷卻的影響進行實驗。采取增大顆粒濃度的方式模擬實際燃氣輪機工況下的顆粒沉積。對于顆粒沉積分布的模擬結果很準確，但試驗件應用范圍有限，且實驗消耗較大，不便于拆卸及更換。

圖2 顆粒加速沉積試驗臺設施試驗段[36]Fig.2 Test section of turbine reacting flow rig[36]

Jensen等[37]設計了顆粒加速沉積試驗臺(accelerated deposition test facility,TADF)，試驗系統(tǒng)可以產(chǎn)生達到1 400 ℃的燃氣。顆粒和燃氣摻混后射向試件。試件易于更換，方便實驗者頻繁更換試件探究不同結構下的顆粒沉積。同樣用加大顆粒濃度的方法模擬實際燃氣輪機運行工況?？裳芯咳細鉁囟?、顆粒屬性、不同冷卻結構等對顆粒沉積及冷卻效率的影響。

除了上述的2種試驗臺，賓夕法尼亞州立大學等外國高校也有相關設施；楊曉軍等[38]和Yang等[39]的試驗臺的實驗模擬也有一定的參考價值。如圖3所示，借助小型風洞，通過壓縮機將外部氣體吸入，經(jīng)加熱后獲得相對高溫的主流氣體，這部分氣體與同樣被加熱后得到的液態(tài)石蠟一同射向試件，通過該過程模擬顆粒沉積現(xiàn)象。試驗臺易于安裝，結構簡化且實驗過程便捷。但受限于實驗溫度，無法完全模擬類似于實際渦輪工作條件下的顆粒沉積，僅能使用石蠟等物質作為沉積物等方式模擬固體顆粒沉積過程。

影響顆粒沉積的因素眾多，顆粒自身尺寸，顆粒材料屬性、顆粒溫度、沉積環(huán)境溫度、入射速度等都會對沉積造成不同方面的改變。本文著重挑選了對顆粒沉積影響較大的幾種因素，簡要總結了相關因素對沉積的影響機理。

2.1 顆粒尺寸對沉積的影響

針對顆粒的影響，引入斯托克斯數(shù)St表征顆粒慣性作用和擴散作用的比值。斯托克斯數(shù)St越小，顆粒慣性越小，隨流性越好，其擴散作用就越明顯；反之，St數(shù)越大，顆粒慣性越大，隨流性越差。在部分實驗中，由于顆粒其他屬性及條件的確定，可以使用St數(shù)來間接表征顆粒大小對沉積的影響，顆粒的直徑越大，其對應的St數(shù)也越大。St數(shù)是影響沉積分布的重要因素。

借助顆粒加速沉積試驗臺設施，探究了顆粒粒徑對渦輪葉片表面顆粒沉積的影響[40]。發(fā)現(xiàn)沉積率隨顆粒大小的增大而逐漸增大，且增加的速率[41]對于St小于0.1的顆粒，端壁沉積量幾乎與前緣的沉積一樣大。與前緣相比，St數(shù)較大的顆粒在端壁沉積速率較慢。對于0.01

文獻[44]通過使用煤灰沉積裝置，測試了10～200 μm顆粒在葉片前緣的沉積厚度，結果顯示顆粒在微米尺度上的分布更加均勻，5 000 h后沉積厚度為650 mm；而直徑為10 μm的顆粒在駐點線附近沉積，其沉積厚度在1 300 h可達到2 mm，對航空發(fā)動機的安全造成很大威脅。二維通道壁面下壁面顆粒沉積速率及無量綱沉積速率及無量綱速率變化基本一致[45-46]，在小于30 μm情況下，Saffman力和熱泳力對沉積有部分影響，沉積隨顆粒增大略微增加，但隨著顆粒進一步增大，重力的影響進一步加強，壁面沉積減少。對比于三維渦輪靜葉及葉片壓力面吸力面的沉積進行的研究，發(fā)現(xiàn)顆粒直徑較小時，顆粒大部分粘附而不沉積，但隨著粒徑增大，沉積率先增加后減小；且僅在0.1 μm粒徑左右的顆粒在吸力面上有所沉積，壓力面的沉積率曲線則與文獻[45]所做相仿。對于不同粒徑顆粒在葉片不同位置的沉積特性，較大粒徑顆粒隨流性差，易與葉片碰撞，較小粒徑顆粒則相反；顆粒沉積主要分布在葉片壓力面中部，吸力面沉積多于壓力面[47]。與之相反，當對一種U型肋冷卻結構不同，粒徑越大沉積量越大[48]。

圖3 楊曉軍團隊試驗臺Fig.3 Yang′s experimental device

對于顆粒尺寸對沉積的影響，表2列出了部分文獻所應用的實驗方式及對應研究部位，所使用顆粒大小均在0.1～200 μm。

表2 部分文獻所用實驗方式及粒徑設定

通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)，可以總結為顆粒沉積的研究均在微米尺寸，這些顆粒的沉積在葉片不同位置下的沉積現(xiàn)象不盡相同，由于尺寸較小，顆粒自身受到的力在不同條件下表現(xiàn)出的效果會有很大的差異。這類差異受到不同結構及顆粒運動環(huán)境的影響。對于易于沉積的顆粒尺寸，可以結合實際工況下的葉片分析并找出這類顆粒，通過不同方式隔絕這類尺寸的顆粒比如加裝新式過濾設備。

2.2 溫度對沉積的影響研究

2.2.1 主流溫度對沉積的影響

在較低溫度范圍時[49]，測試某種燃氣輪機導流葉片前緣溫度對流量阻塞的影響。實驗表明，700～866 K的溫度范圍內(nèi)，顆粒加載速率對流量阻塞的發(fā)展沒有實質影響。在不同流動溫度下用0.1～10 μm粉塵進行的測試表明溫度對顆粒堵塞形成的影響是一階的，尤其是在700 K以上。為了更好研究高溫主流條件對沉積的影響[50]，原加速沉積實驗臺改造后的燃氣溫度可達到1 400 ℃。借助于改造后的試驗臺，沉積模擬時發(fā)現(xiàn)顆粒明顯沉積在肋壁和彎壁上，且粒徑越大。顆粒更多的在靜葉前緣滯止線周圍沉積，且隨著主流溫度增高，沉積率增大。

文獻[51]對鎳基合金試件表面顆粒的沉積特性進行了實驗研究。發(fā)現(xiàn)隨著主流燃氣溫度增加，顆粒沉積率先增加后減小，臨界溫度約為1 000 ℃。借助顆粒加速沉積試驗臺裝置[52]，基于文獻[51]類似參數(shù)，同樣發(fā)現(xiàn)沉積速率隨氣體溫度降低而降低。沉積的臨界氣體溫度約為960 ℃，也與對應的臨界溫度1 000 ℃相仿。

主流溫度的改變不影響沉積的分布，改變沉積速度[53]，即主流溫度會影響沉積的生長速度，在臨界溫度內(nèi)，顆粒沉積速度隨主流溫度升高變大，超過臨界溫度之后，主流溫度的升高對沉積的影響極小?；谏鲜隼碚摚瑴y試了4個溫度下顆粒入射某渦輪葉片的情況，發(fā)現(xiàn)顆粒在端壁前緣處的沉積分布沒有明顯的區(qū)別，在壓力面?zhèn)鹊某练e更多[54]。在較低溫時的沉積厚度很高，隨著入射溫度升高，沉積最大厚度變化不明顯，即主流溫度升高超過臨界溫度后，對沉積影響有限。

2.2.2 壁面溫度對沉積的影響

為研究不同壁面溫度下的內(nèi)部冷卻肋沉積特性[55]，計算0.5～25 μm大小顆粒在不同壁面溫度下的顆粒碰撞和沉積率，發(fā)現(xiàn)較低溫度時，撞擊率較高，但沉積率隨溫度的升高而增大。通過調整加熱設備改變壁面溫度，實驗發(fā)現(xiàn)顆粒的碰撞率和沉積率均隨壁面溫度升高而增大，當顆粒入射后，初期對于流場影響不大，達到某一特定值后影響快速加強[56]。沉積物的增加，致使溫度對沉積的影響變強。借助顆粒加速沉積試驗臺模擬粒徑小于5 μm的顆粒在渦輪葉柵中的沉積過程[51]，發(fā)現(xiàn)隨著葉柵表面溫度的增加，捕獲效率增大，葉柵面粗糙度增加，但達到一臨界溫度后捕獲效率將減少。且表面溫度較高處皆為沉積量較大處，較低溫度處均為沉積量較少的部分，如圖4所示。

圖4 不同時間后沉積導致壁面溫度變化[51]Fig.4 Wall temperature changes caused by deposition after different time[51]

2.3 吹風比對沉積的影響

隨著顆粒尺寸増大，吹風比對顆粒在葉片前緣區(qū)域沉積的影響逐漸減弱[42]；隨著吹風比的增大，顆粒的沉積效率略有減小。對于端壁氣膜冷卻渦輪，增大吹風比會減少氣膜孔和端壁冷卻區(qū)域的顆粒沉積[57]。在高溫下的實驗結果與文獻[40]較為吻合。當顆粒沉積于葉片后，葉片表面粗糙度增大，換熱系數(shù)增大，冷卻效率降低，葉片溫度比顆粒沉積前高。

隨著吹風比的增加，沉積量先減少后增加[46]。對于氣膜冷卻平板[58]，表面的顆粒沉積量隨吹風比增大逐漸增加，且在氣膜孔間下游的沉積量遠高于氣膜孔正下游的沉積量。當吹風比較小時，冷卻射流受主流影響較大，易于貼附于壁面，當吹風比增大后，主流對于射流的影響有限，射流更容易影響顆粒的流向，導致顆粒沉積率降低；當吹風比進一步增大時，射流與主流摻混程度增加，顆粒更容易受兩者的影響并流向壁面發(fā)生沉積，此時顆粒沉積率隨吹風比的增大而上升。

葉片表面的冷卻射流會對顆粒的沉積產(chǎn)生影響。冷氣射流既影響顆粒的遷移軌跡，也會改變?nèi)~片表面的金屬溫度和顆粒的溫度，從而影響顆粒在葉片表面的沉積規(guī)律和冷卻特性。即借助射流影響主流中的顆粒流向，避免本可能出現(xiàn)的沉積現(xiàn)象。

2.4 其他因素對沉積的影響

對于氣膜冷卻環(huán)境下的顆粒沉積，不同進氣角度也會產(chǎn)生影響，文獻[59-61]也進行了相關的數(shù)值模擬研究，集中研究了氣流入口角等因素對沉積行為的影響，發(fā)現(xiàn)氣流進氣角對葉片表面粒子沉積速率分布影響顯著。

也存在一些其他因素影響顆粒沉積，比如旋流[62]、熱斑等不穩(wěn)定流動現(xiàn)象也會對沉積造成一定影響，這類條件更符合實際環(huán)境下的沉積，也是未來顆粒沉積數(shù)值模擬的重點領域之一。

3 顆粒沉積對渦輪冷卻的影響

顆粒的沉積與高溫渦輪葉片的冷卻性能之間存在復雜的相互作用。顆粒沉積致使葉片換熱系數(shù)增加，同時可能堵塞葉片表面的氣膜孔，從而導致冷卻結構的局部失效。顆粒還可能在葉片內(nèi)部冷卻通道中發(fā)生沉積，這部分沉積導致內(nèi)部冷卻結構改變，削弱了葉片冷卻效果。氣膜冷卻由于射流的存在也會對顆粒的沉積產(chǎn)生影響，進而影響顆粒在葉片表面的沉積規(guī)律和分布特性。

3.1 顆粒沉積對外部冷卻特性的影響

Lawson等[63-64]對平板氣膜冷卻、葉片前緣多排氣膜冷卻和端壁氣膜冷卻的微細顆粒沉積特性進行了實驗研究。結果顯示微細顆粒壁面沉積能夠使氣膜冷卻效率降低30%，并且壓力面氣膜冷卻和前緣氣膜冷卻壁面沉積后的氣膜冷卻效率隨吹風比的增加而降低，而端壁氣膜冷卻壁面沉積后的氣膜冷卻效率隨吹風比的增加而增加。

文獻[65-68]進一步利用大尺寸風洞對帶熱障涂層的不同氣膜冷卻結構布置形式進行了實驗和數(shù)值研究。結果顯示顆粒壁面沉積形貌對冷卻射流的流動特征具有重要的影響。在較小的沉積厚度下，冷卻射流對主流的穿透作用可以得到有效抑制，但在較大的沉積厚度下冷卻射流的穿透能力有所增強，氣膜附壁能力受到削弱，同時壓力面氣膜冷卻的布置形式對沉積特性和氣膜冷卻效率具有更重要的影響。

AI等[69]開展了高溫條件下的氣膜冷卻壁面加速沉積實驗研究；探究了成型孔和不同孔間距對氣膜冷卻壁面沉積特征的影響。發(fā)現(xiàn)成型孔能降低微細顆粒沉積的負面影響，同條件下成型孔的壁面顆粒捕獲率比圓柱孔低25%。同時得出端壁的顆粒沉積率在小St條件下與葉片前緣相當，而在大St條件下的顆粒沉積率約是前緣和壓力面的25%左右，并且端壁上的沉積率分布強烈地受到二次流結構的影響[70]。

孔出口附近的沉積物在一定高度下可以提高端壁前緣的冷卻效率，但隨著顆粒沉積物增加，沉積高度達到一定量時會導致冷卻性能嚴重下滑[71]。

氣膜孔附近會產(chǎn)生反旋渦，這種現(xiàn)象影響氣膜孔堵塞后的冷卻效率[72]；氣膜孔下游涂層脫落產(chǎn)生的裂紋在低吹風比時會降低冷卻效率，高吹風比時改進冷卻效果。對于平板氣膜冷卻，當吹風比為0.5時冷卻效果最好。顆粒沉積導致氣膜孔堵塞后，鄰近的反旋渦會抑制這種現(xiàn)象對氣膜冷卻效率的影響，隨著沉積高度增加，這種抑制效果將會更顯著[73]。

為了模擬顆粒沉積形貌對氣膜冷卻效率的影響研究[70,74]，實驗采取的方法是將3個圓柱狀粗糙元件放置在平板上的氣膜孔的上下游。在低吹風比條件下，氣膜冷卻效率降低了10%～20%，但在較高吹風比下，效率卻提高了40%～50%。為了模擬顆粒沉積形貌對氣膜冷卻的影響；借助一種半球狀結構，通過改變結構位置、大小等進行對比。發(fā)現(xiàn)在中低吹風比條件下，結構位置對冷卻效率的影響最明顯。

3.2 顆粒沉積對內(nèi)部冷卻特性的影響

Singh等[75]采用大渦模擬方法研究了渦輪葉片內(nèi)部U型帶肋冷卻通道的沙粒輸運和沉積特征。結果顯示第2通道的前1/4壁面的沙粒碰撞率最高，且第2個通道的沙粒撞擊率比第1個通道高28%。沉積主要發(fā)生在1 000 ℃及1 050 ℃。

帶肋冷卻通道近壁處易出現(xiàn)渦流[76-77]，使得這部分區(qū)域的顆粒易發(fā)生沉積。隨著下游肋傾角的增加，換熱能力和沉積率都逐漸減少。在內(nèi)部冷卻通道的沉積特性。顆粒大多沉積在肋上游壁面和彎頭處，這部分沉積隨雷諾數(shù)和粒徑的增加而減少[48]。當存在旋轉時，肋尾部的顆粒碰撞和沉積更多[43]。

綜上所述，微細顆粒在氣膜冷卻壁面上的沉積，不僅會腐蝕或侵蝕熱障涂層甚至導致涂層脫落，還會堆積在氣膜孔周圍甚至堵塞氣膜孔，造成氣膜冷卻結構失效。微細顆粒沉積、熱障涂層脫落和氣膜孔堵塞是燃氣輪機高溫冷卻渦輪的典型損傷形式，也是引起高溫冷卻渦輪氣熱性能衰退的主要原因，除此之外，燃氣輪機冷卻渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道較窄，因此在高溫渦輪葉片使用壽命期間無法檢查葉片內(nèi)部冷卻通道是否有顆粒沉積，再加上流體本身的湍流和非定常特性，會導致通道的幾何形狀發(fā)生改變，從而影響高溫渦輪葉片內(nèi)部冷卻通道的流動換熱特性，嚴重時甚至威脅燃氣輪機的安全運行。

未來對于顆粒沉積對冷卻的影響的數(shù)值模擬將更多的使用動網(wǎng)格技術[78-79]，沉積的顆粒將直接附著于對應的冷卻結構處，通過這種方法可以更好地分析沉積對于葉片流動傳熱的影響，也可以與實驗更好地對比。

4 結論

1)借助顆粒動力學理論，影響顆粒遷移運動的因素主要有：氣動力(包括氣動阻力)、熱泳力、重力、升力、布朗運動以及顆粒物自身的慣性動量，這些因素有效地構成了顆粒物的遷移理論，通過動力學可以歸納及總結顆粒沉積判據(jù)，這類判據(jù)匯總得出對應顆粒沉積模型，但目前沉積模型依舊存在部分缺陷。缺乏一種簡化且適用性強的模型

2)當前對于顆粒沉積的實驗研究已較為成熟，多所科研院所都搭建了顆粒沉積實驗裝置，其中不乏使用風洞、高溫顆粒噴射系統(tǒng)等較大型設備，在某種程度上可以保證實驗中流體與顆粒流動的可靠性。但是目前的實驗都是在“加速”條件下的完成，無法通過真正的成千上萬小時時間模擬沉積過程，所以還需要采取手段使這種加速過程與實際沉積過程相匹配。

3)決定顆粒沖擊渦輪葉片后是粘附于葉片金屬表面還是被反彈的主要因素有主流燃氣溫度、葉片表面溫度、顆粒速度、吹風比以及顆粒的大小及彈塑性等，這些因素決定了顆粒的沉積特性。對于不同葉片結構產(chǎn)生的沉積現(xiàn)象，需對應實際工況下的條件進行細化研究，沉積是一種復雜傳熱流動過程，因此，對于上述因素的影響也缺少量化性的總結。僅在對應小范圍可歸納部分沉積現(xiàn)象。

4)顆粒沉積對葉片冷卻的影響嚴重，無論外部還是內(nèi)部冷卻，一旦有顆粒沉積甚至堵塞在冷卻結構處，勢必導致這部分傳熱收到影響，很有可能降低冷卻效果并影響該部分部件熱應力，進而導致冷卻結構失效甚至破壞。對于這部分的研究可以幫助預測不同冷卻結構的沉積現(xiàn)象，進而避免沉積對冷卻的影響。

盡管顆粒沉積相關研究結果還存在一些不足，但今后還可以從以下多方面進行繼續(xù)研究：1)基于實際物理過程開發(fā)高精度的沉積模型；2)開展沉積過程非定常動態(tài)模擬研究，盡可能與渦輪葉片實際沉積的物理過程相符；3)利用數(shù)值模擬動網(wǎng)格技術與實驗相結合，進一步研究沉積對多級渦輪氣動和冷卻性能的影響，進而提出有效的沉積改善方案。