CFD-Guided开发测试平台研究侵蚀和大粒度的热障涂层的破坏

文摘

燃烧器平台通常资格材料用于燃气轮机的应用程序。最有用的钻机测试是那些可以复制,通常以加速的方式,材料的降解经验引擎。计算流体动力学(CFD)可以用来加速燃烧的成功开发和持续改进燃烧器有意义的材料测试的平台。钻机发展通常是一个迭代过程的增量修改改善钻机性能测试需求。应用CFD允许做这些迭代计算硬件建立或修改之前,减少整体测试成本和时间,它可以提供一种改进的理解这些平台是如何运作的。介绍了利用CFD开发燃烧器测试平台研究侵蚀和大粒度的热障涂层的损伤(涂层)用于保护涡轮叶片在内燃机高温通量。本study-determining中使用的步骤的问题需要回答关于试验装置的性能,开发和验证模型,并使用它来预测钻机性能可能适用于其他测试平台的高效发展。

1。介绍

热障涂层(TBC)是一层隔热陶瓷应用在一个金属的抗氧化黏合层组件。涂层保护组件从高,长期循环热载荷和扩展部分生活减少热疲劳和减少氧化通过减少组件温度。当用于涡轮发动机,这些涂层可以减少所需的冷却气流通过,组件和允许更高的气体操作温度,从而改善发动机的性能,提高燃油效率和减少二氧化碳排放量(1- - - - - -4]。

热障涂层涂组件燃烧室内衬和涡轮叶片等。第一行的高压涡轮叶片涡轮地区遇到尤其是高温,高压,高速气体。这些“第一刀”涂层尤其容易受侵蚀破坏和大粒度的影响5,6]。当涂层腐蚀,绝缘的损失可以从高温暴露导致涡轮叶片损伤,可能需要额外的冷却空气导演叶片前缘的补偿,导致降低发动机的工作效率。

涂层使用固定翼飞机涡轮发动机的一段时间,但只是开始被用于旋转翼飞机涡轮发动机。固定翼商用飞机通常运行在相对干净的环境中,如高海拔地区和在专用的起飞和降落sites-runways保持相对自由的尘埃和碎片。旋转翼飞机太多肮脏的环境中运行:低海拔和起飞和降落在各种各样的地方,包括环境粉尘浓度高。旋转翼飞机涡轮发动机经常使用粒子分离器减少粒子的数量达到了引擎。虽然这些分隔符更有效更大的粒子,一些碎片仍然可以达到涡轮叶片,特别是在重载条件下(7]。因此,侵蚀和冲击损伤涂层的第一刀旋转涡轮发动机是特别关注的6]。

除了影响破坏大型粒子从外面进入环境中,涡轮叶片可以被残骸在引擎,包括涂层的碎片从燃烧室壁(6]。此外,旧的喷油器已损坏或堵塞的污垢可以喷雾燃料在燃烧室墙壁和沉积碳。这些存款可以中断在大型“碳球”,可以罢工的涡轮叶片8,9]。灰尘等微粒旋翼机的一个特殊问题,因为他们的操作环境。除了侵蚀,小颗粒,在一定条件下,融化,导致TBC)的腐蚀作用。这个失效机理的讨论超出了本文的范围。

燃烧器钻井平台是火把,喷气燃料和空气预热燃烧。它们通常用来评估、等级和理解为燃气轮机应用高温材料的行为。与燃烧器钻井平台、天然气和预热燃烧器内的空气混合,燃烧产品出口通过喷嘴的气体加速到0.3马赫速度或高亚音速。这是示意图,如图所示1。新平台的开发研究侵蚀和损害进行大粒度影响在美国宇航局格伦研究中心的目标开发更多耐侵蚀热障涂层涡轮引擎。这项工作是建立在由前两个燃烧器侵蚀和指导钻井平台:一个钻井平台,NASA在1980年代存在如Handschuh所述10)和一个钻井平台在通用电气所描述的布鲁斯(11]。

Handschuh描述的燃烧器装置由一个喷气燃料燃烧室修改注入腐蚀性氧化铝颗粒平均直径130微米到燃烧室的中心线。燃烧燃料在燃烧室提供气体在高温和高速度。试验装置的喷嘴和融合,因为他希望维持一个狭窄的侵蚀的粒子流,声波速度是用来提供最大的粒子加速可能同时最小化在下游氧化铝分散的试样。证据的粒子扩散被认为在试样表面,增加试样的距离喷嘴出口。这种扩散模式的中心不是沿中心线的燃烧室,尽管引入了粒子在这个位置。提到另一种设计使用一个长时间的垂直加速度管允许气体和粒子速度成为本质上是相同的。然而,这种设计,而被认为是有用的为研究粒子速度对侵蚀过程的影响,并没有实现,因为人们认为它会导致过多的热损失的管产生高温试验条件。

布鲁斯描述的燃烧器钻机由美联储与喷气燃料和燃烧室的压缩空气,修改为径向注入了氧化铝颗粒平均直径50和560微米水平进入燃烧室在两个相反的头寸。其他侵蚀的材料被认为是,但氧化铝被选中,因为它产生的损伤模式符合观察引擎。测试标本圆柱销安装在一个旋转木马,旋转在500 rpm,燃烧器装置尾气的50 mm。得出粒子速度是影响粒子的大小和距离燃烧室开通,但可以忽略受气压影响,空气温度和燃料流量。CFD是使用轨迹代码来确定一个非粘性的二维流场计算球形粒子的轨迹。这个模型的结果与实验测量的粒子产生良好的协议从燃烧室排气速度在50和100毫米,这是用来预测速度为其他粒子距离排气和其他材料。布鲁斯表明流速过高可能导致试样表面粒子反射干扰入射粒子,导致磨损率降低。

最有用的测试结果来自钻井平台,可以复制涡轮发动机失效模式。理解如果修改当前美国宇航局燃烧器钻井平台将使他们适合侵蚀和大粒度影响损伤的研究中,需要回答三个问题:(1)将粒子来burner-erosion钻机的燃气温度吗?(2)的粒子运动速度不足以准确TBC的表面造成伤害?(3)侵蚀地区怎么可能扩大的情况下,这将是有利的,比如更具代表性的测试小涡轮叶片?而不是让最好的猜测是否测试平台以满足这些需求,CFD模型被用来回答这些问题。

介绍了CFD建模用于指导修改之前现有的美国宇航局格伦燃烧器平台通过添加一个独立的管道,使它们适合评价水土流失和大粒度影响损坏的涂层涡轮发动机应用和描述模型的验证来确认它的预测是准确的。

2。实验设计

两个独立的燃烧器钻井平台是要修改的:一个用于腐蚀研究和一个用于损伤研究大粒度的影响。图2显示的照片没有管burner-erosion平台之一。钻井平台上向喷气燃料和预热空气的混合物。侵蚀的粒子被运送到了燃烧器使用粉机的类型用于等离子喷涂通过探针引入到燃烧器。数据显示,粒子来自加料器,通过腐蚀药喂线,并被送入钻机。标本和持有人所示懒懒的位置(不针对标本)图2;火焰燃烧器枢轴点移动到路径的标本进行测试。温度一般用光学高温计,尽管热电偶是一种选择。美国宇航局格伦燃烧器钻井平台的一个独特的特征是,它们经常用于排名和侵蚀的基本研究涂层对涡轮叶片的指导耐侵蚀涂料的发展。

操作条件选择允许相比先前的研究在涡轮发动机和复制TBC的侵蚀。在这项研究中使用的粒子有氧化铝的物理性质。最初的CFD研究集中在单粒子大小。侵蚀研究26微米和50微米直径粒子进行了研究,由于小颗粒将特别关注的典型的旋翼机操作环境(12]。名义26微米直径氧化铝粒子是商用的,可以可靠地美联储使用等离子体喷淋式供料器的类型用于这些实验。被选出的50微米粒子直径匹配使用的尺寸通用电气在TBC的侵蚀的研究11]。大粒度影响损伤研究,直径560微米粒子被选出匹配通用电气(General Electric)的研究(11和对应的粒子大小,可能源自燃烧室和可能造成影响的破坏11]。自现实世界的环境将包含一系列粒子大小,后来的研究使用了粒度分布集中对侵蚀研究26微米或550微米大粒度影响损伤的研究。马赫数0.3 - -1.0的气体温度1640 K被选出来代表条件可能会遇到的气体与涡轮叶片进行交互。

3所示。模型描述

计算流体动力学软件ANSYS流利(ANSYS软件ANSYS流利,Inc . Canonsburg, Pa)是用来模拟实验装置。代码使用有限体积法离散化的连续性、动量和能量方程。可压缩流,稳态轴对称模型使用;不同地区、维度和边界条件如图所示3(一个)unducted模型和图3 (b)为模型独立的管道。这个管是在距离0.127米的喷嘴出口。这个图显示了一个管0.305米长,直径0.019米(0.095米半径)。管的直径和长度在这个图是不同的在研究过程中。的数据显示部分燃烧器衬管、喷嘴和一个框,显示压力边界(蓝色)。因为这是一个轴对称模型,这个数字可能是旋转的轴旋转对称轴对称图。注意,燃烧器的整个长度,注入区域之前,不是模仿。前,而该地区粒子注入被当作一个压力入口。

一个标准的- - - - - -湍流模型用于C1-epsilon常数改变从1.44到1.56的标准值,因为该湍流模型的成功使用Senesh和先生来描述类似飞机的潜在核心和其他特征(13]。严格地说,- - - - - -模型只适用于充分发展湍流(14]。在管道湍流充分发展流动的入口长度是由(15]: 在哪里是入口长度(米)是管径(m),是基于管道直径的雷诺数(无量纲)。

流的范围用于这项研究产生了从0.3到1.0在喷嘴出口马赫数,雷诺兹数约为17000年和51000年,分别。入口长度约0.42到0.51米之间被发现之间的0.01905米直径管道和0.58和0.74米0.0254米直径的管道。由于标本的位置是在0.3683 m,充分发展湍流也尚未建立的时间流达到试样表面。尽管如此,因为修改C1的模型常数预测潜在的核心有一个长度匹配观察experimentally-both在我们的案例中,Senesh和先生的工作13)——被认为- - - - - -模型将完全适合本文的需要。标准壁函数和粘性发热都在模型中使用。

离散相模型被激活,使固体颗粒注入气体流量及其路径跟踪。这些粒子被允许与气相交互。球形颗粒阻力法从Morsi和亚历山大(使用16] 经验常数的值在哪里,,介绍了Morsi和亚历山大,雷诺数。这拖法律进一步修改相对马赫数大于0.4使用高马赫数拖法。ANSYS计算流利球形颗粒阻力系数在这个范围内通过使用查表是雷诺数的函数;这个表是从发表文献[17]。

注射被定义为惰性粒子释放在粒子表面的入口。如前所述,单粒子大小的26和50微米直径被用于腐蚀研究,和直径560微米的颗粒被用于破坏研究大粒度的影响。在现实世界中,各种粒子的大小会影响发动机的涡轮叶片。然而,为了最初的研究中,一个简化的粒子分布包含三个使用不同尺寸:20岁,26岁和32微米侵蚀的研究,到500年,550年和600微米的大粒度影响损伤研究。

二阶逆风计划用于动量和能量方程,中亚松驰因子的设置为0.3的动量方程和能量方程1。解决方案的收敛标准被定义为按比例缩小的残差小于1×10⁻⁵动量方程,1×10⁻⁶能量方程和1×10⁻³湍流动能和耗散率。减少这些值,两个数量级并不导致模型预测的变化。

结果网格密度的敏感性进行了研究使用三种不同网格密度的基础上使用的细胞数量在喷嘴。非均匀网格模型的部分用来最小化计算细胞的总数。的最大高宽比细胞5:1。利用10细胞在喷嘴产生15393细胞在计算域,15细胞在喷嘴产生了34251,和20个细胞在喷嘴产生61257细胞。比较了在温度和速度大小的网格生成一系列的点喷嘴半径0.1016米的距离从喷嘴出口。比较在相同的网格点之间的温度产生差异的一般小于1%,最大的差别是3%。类似的速度大小产生了差异比较一般小于2%,最大的差别是6%。这表明网格细胞总数为15393,这是用于本研究的其余部分,足以实现并网的结果。平均值为0.3马赫范围从30例为1.0马赫约96例,在为这些类型的研究[推荐值14]。

简单的恢复系数被认为这些研究。速度恢复系数,粒子的速度比墙罢工之前,它的速度墙后罢工,所有碰撞角度设置为0.5。这本质上是一致的价值观在文献中报道的微小颗粒在室温下(18,19]。注意,缺乏角的依赖可能意味着一个平衡的组合摩擦的影响(其作用是最强的低角度)和塑性变形在更高的角度)(其作用是最强的。摩擦表面粗糙度和颗粒大小有关。可塑性可能与粒子和表面的硬度与碰撞。

对大颗粒的情况下惊人的硬表面在室温下,附近的恢复系数是衡量一个附近(弹性)角度碰撞为陡降至约0.25 (18]。然而,管道被认为是莫来石为本文描述的情况下,并在高温莫来石是柔软的。硬和软基质的影响可能被设想为一个高尔夫球跳过对混凝土和跳过部分干泥。near-elastic返还系数测量硬基质室温不得申请莫来石管道。因此,即使对于大颗粒的情况下,定向恢复系数被设定为0.5本研究的目的。研究用分段多项式的角匹配数据从其他地方描述参考1820.]。所有病例的定向恢复系数仅仅是设置为1.0,使反射角等于入射角。

一个离散相粒子的轨迹在ANSYS流利预计通过集成粒子上的力平衡在拉格朗日坐标系。力平衡只不过是把粒子惯性力量作用于粒子。最初的设计理念研究后注入粒子的最可能的路径允许更好的粒子轨迹的可视化平台。稳态轨迹进行了模拟。积分时间步是确定从[14] 在哪里是积分时间步(s),在计算粒子的估计运输时间细胞(s),然后呢是步长因子(无量纲)。

的最大时间步长数设置为5000,导致完成轨迹计算整个模型的域。使用了5步长因子。从这个方程可以看出,在高速领域,粒子将更快地通过一个计算单元,和积分时间步长将会更大。在相对低速区域,集成时间步将相应慢。最大粒子时间步骤这些研究范围从约6.75×10⁻⁵第二次为4.5×10的26微米粒子⁻⁴第二个550微米的粒子。ANSYS流利的使用意味着流体相的速度轨迹计算紊流流动时,除非使用随机跟踪方法;在这种情况下,瞬时液相速度取代了意味着流体相速度。随机游走模型执行时使用随机跟踪预测粒子的分散由于湍流14]。20个随机试时间尺度常数为0.15。最后一个因素是相关时间在湍流运动粒子的路径(14]。

4所示。模型验证

任何建模工作的一个重要组成部分是确定如果模型预测是可以信任的。这是通过比较模型的预测实验观察,实验测量,和/或解析表达式,如果可用。实验观测提供了第一个证据,该模型准确地预测发生了什么在测试平台。模型预测最可能的粒子轨迹burner-erosion钻井平台,展示他们会罢工和反弹内墙。图4是一种简化的图显示出一个粒子的最可能的路径,以及一幅略侵蚀现货的内墙burner-erosion平台对应的预测位置粒子strikes-about 0.05米(2英寸)的喷嘴出口。大量的粒子会引人注目的这个位置和地点周围由于影响如粒度分布和湍流扩散。而最可能的轨迹是完全满足我们目前的需求,未来模型采用统计方法和3 d模型几何图形计划。

模型预测与实验温度测量同意。图5显示了一个阴谋的热电偶测量火焰温度在不同的位置沿中心线和CFD模型预测模型领域的入口温度1640 K是假定。插入显示光学照片和热红外图像的burner-erosion操纵火焰的中心区域。这个数字说明了气体退出喷嘴显示一个炎热的地区被称为潜在的核心,而CFD模型正确地预测潜在的核心内的温度分布。好两者之间的协议是另一个迹象表明,该模型准确地预测burner-erosion钻机性能。

图6(一)显示了一个比较在相同的位置和相同的进口马赫数之间的模型预测和实验测量使用佳能50 d数码相机拍摄。相机能够足够高分辨率(15像素),快门速度快(1/8000),和高速(12800 ISO),它可以正确的组合的镜头,被用作条纹相机的速度来确定热,发光粒子。进口马赫数为0.5,模型预测160 m / s的粒子速度0.025米(1英寸)喷嘴出口沿中心线;实验记录摄影测量使用相机采用telephoto-lens-plus-close-up透镜组合观测粒子速度约165 m / s,如图6 (b)。这个优秀的协议是另一个迹象表明,模型成功预测burner-erosion钻机性能。

该模型成功地解释了实验观察到的位置在试样侵蚀模式,这主要是低于中心线。图7(一)图的最可能的粒子轨迹模型的0.305米管道的情况下,显示的最小直径粒子模型是预测轨迹,进行它的下半部分试样。最大的直径粒子反射墙以这样一种方式,因为它也罢工的下半部分试样。粒子移动靠近中线罢工试样的中心附近。图7 (b)表明,试样的腐蚀区域主要是在低于中心线,对应于粒子的路径图7(一)。这样的协议模型预测和实验观测提供了进一步的信心模型。

两种效果,扩大样本的预测粒子跟踪的位置将会包含大量的粒子各有不同直径和包容的湍流扩散。为了使分散可能如何影响的初步评估粒子轨迹,并检查这个独立的粒子大小,跟踪从图之一7(一)被审查,但随机跟踪应用。20微米粒子注入在20 m / s,因为这个粒子的最可能的路径选择预计仍将高于在退出前中心线燃烧器和低于中心线后退出导管。这使得它更容易解释轴对称结果的径向粒子实际上是旅行的一半。图8代表这个计算的结果。它显示燃烧器后,该地区的区域管道出口。在这个图中,粒子的速度,用蓝色代表速度低至20米/秒,红色代表速度高达294 m / s。图显示,在燃烧器内,颗粒不偏离远离最可能的路径。然而,粒子穿过0.305管后,效果大幅扩大分布的粒子跟踪,填充的下半部分管道。值得注意的是,这些轨道附近旅游的中心管是以更高的速度。自损坏涂层样品预计将粒子速度成正比提高能力,初步研究表明可能是3 (21),损坏的数量将会偏向高速度的中心管出口。此外,它可能是有用的实验来确定粒子的注入速度,导致多数退出管的中心附近。未来对色散的影响将受益于未来的3 d模型,粒子追踪可能明确地可视化。

图9显示了0.305对粒子速度模型预测管道案例作为距离的函数三个不同的粒子直径的喷嘴相比,粒子速度从假设统一的气体流的解析表达式。它是基于现有的表达式(22],重新推导出了非零初始速度的情况下,加上拖法覆盖的雷诺数范围用于这项研究[23]。这个方程是由 情节的CFD建模和分析建模速度同意彼此非常好。例外的情况是最大的粒子直径管道壁。CFD模型预测的速度下降的一个因素两个墙上罢工后根据假定的恢复系数为0.5。分析模型不能考虑墙罢工。然而,有趣的是,速度的分析建模表明,更失去了墙罢工后恢复后粒子进一步传播管道。分析曲线在图中是使用数值积分获得准确的拖法方程的复杂性。优秀的协议模型预测和解析表达式的结果进一步验证模型。

5。结果

最初的计算运行集中在nonducted burner-erosion钻机。粒子温度影响它的硬度,因此造成的损失的标本。图10 ()显示了建模的加热26微米和550微米粒子在管道燃烧器钻机操作0.5马赫,以及静态和停滞气体温度。管是长0.305米,直径0.01905米。的x设在代表径向距离的燃烧器喷嘴出口平台。26微米粒子达到静态管道内气体的温度,然后降温符合气体静态温度的下降。550微米粒子,有近10000乘以26微米粒子的质量,达到最高温度约600 K。小颗粒来的高温和条纹相机是一致的速度测量图所示6(一),粒子是观察到发光。大颗粒不会发光的反映可能的除外。基于成像速度测量的大颗粒可能需要外部光源的使用,比如闪光灯。较低温度大的粒子可能更加困难(尤其是对于某些与强烈侵蚀的与温度有关的属性),因此,更积极地降解TBC的高温小颗粒。

为了验证这些结果,粒子温度的一个考试在这些条件下进行使用集总电容模型和错流模型中一个球体。图10 (b)检查燃烧器内的早期阶段加热,气体温度和压力基本上是常数。因为加热是任意选择发生在一条狭窄的温度范围(293 - 360 K),热容和粒子速度不会有很大区别。因此,一个集总电容模型可以用来确定传热系数,从球形颗粒的气体,24]。这个模型意味着粒子加热uniformly-there之间没有梯度表面和内部的温度。集总电容模型是有效的球体,毕奥数字小于0.1。球体的毕奥数可以表示为 在哪里是传热系数(W / m²·K),是粒子直径(m),导热系数(W / m·K)。

毕奥编号为26 - 550微米粒子被发现是0.0018和0.0038,分别,远低于0.1的价值所必需的应用集总电容模型。

根据集总电容模型的传热流体领域, 在哪里是初始气体温度(K),是自由流温度(K),温度范围(K),是球体密度(公斤/米³),球体直径(m),热容是球面(J / k·k),然后呢是传热系数(W / m²·K)。

重新安排这个方程的收益率 这是一个线性方程的斜率等于。

使用数据从ANSYS获得流利的模型初始粒子温度上升,一块与粒子停留时间是26日和550微米粒子,这些曲线的斜率是用来确定对流换热系数12500 W / m²·K 26微米直径的粒子和1260 W / m²直径550微米粒子·K。

为了验证这些结果,传热系数计算为一个球体在横流式的24相比),从集总电容模型。惠特克提出的传热关联了传热关联(25] 在哪里是努塞尔特数(无量纲)雷诺数(无量纲),普朗特数(无量纲)。

这些无量纲数 地点:是传热系数(W / m²·K),球形颗粒直径(米),导热系数(W / m·K),密度(公斤/米³),是指流体速度(米/秒),是动态粘度(公斤/ m·s),球形颗粒的动态粘度计算温度(公斤/ m·s),运动粘度(m²/ s),热扩散系数(m²/ s)。

方程(7)是有效的:

代表了基于粒子直径的雷诺数。本研究的条件产生了普朗特数为0.71(空气的典型值是否在1640 K或在室温下)。雷诺数基于26微米粒子的粒径变化从5.6到116年的550微米粒子,和动态粘度比为2.94,(8)有效的用于验证CFD在这项研究结果。

自由流气体温度特性进行评估,,除了,这是评估范围的温度。气体使用的计算速度48 m / s +一个小粒子注入速度校正(10 m / s 26微米粒子,3 m / s的550微米粒子);由于注射开始流成直角,48米/秒之间的相对速度和3 m / s或10 m / s。26微米粒子的雷诺数分别为5.6和116年的550微米粒子。压力是118550.25 Pa (1.17 atm)。气体热导率和粘度在霍尔曼(从数据获得26]。这些计算了传热系数8660 W / m²为26微米粒子和1060 W·K / m²550微米粒子·K。相比的结果集总电容模型,计算传热系数约为16% 26微米粒子直径较小,约30%为550微米粒子较小。横流式的估计同意的范围大小的集总电容值获得使用CFD-predicted值粒子温度,从而进一步验证模型预测。

虽然没有标准申请burner-erosion钻井平台,值得检查ASTM G76-07标准适用于增压气体喷射侵蚀测试,建议最小粒子速度的侵蚀研究30±2米/秒(27]。在实际的涡轮发动机中,粒子将会移动的更快,涡轮叶片将移动速度高尖端,温度会很高。在本研究中,更快的移动粒子通常是首选,除非过快流失开始发生。这将更有可能损害研究大粒度的影响。图11显示了粒子速度的函数距离喷射器50和560微米粒子直径0.4马赫和0.9马赫unducted钻机。除了最大的粒子在最低马赫数,模型预测,所有的粒子会至少ASTM-recommended速度达到试样时,与较轻的微粒进入更高的速度。图12显示了27个微米直径的粒子跟踪粒子注入在三种不同注入速度0.5马赫条件下unducted钻机。试样表面的粒子速度最高位于0.076米(3英寸)喷嘴出口,发生侵蚀率最高,因此,粒子移动大约沿中心线的试验台。调整粒子注入速度尽可能多的粒子沿中心线将最大化的侵蚀率和地点这最大的中心测试标本。

ASTM G76-07标准要求侵蚀区域直径相对较小;然而,它可能是可取的在某些情况下扩大受损区域。例如,一个更广泛的侵蚀模式可能更代表暴露的小发动机涡轮叶片。测试使用本文的实验平台模拟发现,将试样从0.05米到0.15米的喷嘴出口扩大了侵蚀地区。然而,这也将试样冷却火焰区域,降低了涡轮发动机温度的相似条件。一个方法在试样表面的温度维持在2000°F或以上是直接热气体和颗粒的退出喷嘴管。建模表明,当管道直径等于喷嘴直径,典型的结果是更高的粒子速度与气体温度的损失。如前所述,自行车是在美国宇航局格伦完成燃烧器由旋转钻井平台钻井平台,可以管方法的问题。旋转钻井平台将导致偏差或连接管的分离。一个可能的解决方案是使用一个独立的管道,留下一个小喷嘴出口与管道之间的距离。 The model was used to examine the effects of ducts of different diameters and lengths on the gas temperature and velocity to determine if the rig performance would be adversely affected by an unattached duct.

图13显示了气体温度和气体速度的函数喷嘴出口的距离为一个独立的从喷嘴出口导管放置0.0127米。随着导管直径减小,气体温度维持更长的距离。通过管道气体速度增加,导致粒子速度增加,进一步维护管道随着粒径减小。最小的导管直径图13喷嘴的直径相匹配。高气体温度保持的图中显示为管有最小的直径约0.4米和0.305米的长度。因此,模型预测,一个独立的导管装置管道和喷嘴的直径0.01905米给粒子速度最高,同时仍保持一个高温的试样表面。

损害内墙的侵蚀和大粒度影响损伤测试平台被确认为一个潜在的问题。这种损害可以减轻通过减少粒子速度,但可能导致未能正常饲料。理想情况下,粒子速度应该足够高,以确保他们转达了给水管路,但足够低,以避免损害的内墙测试平台。三维计算模型,建立了一个45度弯头调查是否粒子离开支线在高速度可能放缓之前注入测试平台。从试验台的墙壁会损伤最严重的最高最大马赫数的粒子直径,运行在0.7马赫颗粒的平均直径550微米。模型的设置是相同的如前所述的测试平台。图14表明该模型预测粒子注入在20米/秒,足够高的速度通过给水管路输送颗粒,放缓至约3 m / s的注入点到测试平台。这个速度将大大减少损坏室内试验台的墙壁。正如先前所显示的,使用独立的管道将导致粒子加速到足够时速度达到试样。

6。结论

本文描述了用于指导过程的设计测试平台对侵蚀和中大颗粒撞击破坏研究的涡轮发动机叶片涂层。模型表明,三大成功测试的必要条件与这些平台将遇到26微米粒子直径。侵蚀的粒子来近unducted钻机的气体温度和气体温度的管道设备,复制粒子在涡轮发动机的温度。侵蚀的粒子将在一个足够高的速度复制损坏叶片涂料在涡轮发动机。unducted钻机,小颗粒达到最低推荐速度远高于ASTM侵蚀测试。粒子速度可以增加通过使用一个独立的管道,以最高的速度持续发生的0.035米的管与管直径等于喷嘴直径。侵蚀地区可以扩大移动试样远离喷嘴和使用一个独立的管道保持粒子温度和增加试样表面的粒子速度只要管出口喷嘴直径相同。

结果表明,550微米粒子可以达到ASTM最低推荐速度,和损害地区试样可以扩大通过使用一个独立的导管装置直径等于喷嘴直径。然而,这些大的粒子没有气体的温度。幸运的是,对于铝腐蚀药的情况下,这可能不是一个严重的问题,因为铝的硬度不随温度变化很大。如果其他侵蚀的使用,温度对硬度的影响可能需要被考虑。对于未婚管的情况,气体温度和粒子速度,与小颗粒,主要维护的管道和喷嘴直径相等。最快的速度和最高的侵蚀率时粒子侵蚀的出口接近试验台的中心线。模型表明,潜在的损害造成的测试平台的内墙高进气粒子速度可以减轻通过使用一个45度弯头入口粒子速度缓慢。这些速度会增加test-velocity条件加速通过独立的管道。

优秀的协议模型预测与实验观察的例子,实验测量,和粒子速度的解析表达式表明,该模型可以用来预测burner-erosion测试平台的性能。这大大降低了钻井平台的开发时间在试错的方法,允许预测未来的钻井平台性能是否改变操作条件。这种计算方法可以应用到多种平台的开发材料测试。

承认

作者欣然承认这项工作由NASA的支持基础航空项目,亚音速旋转翼项目。

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