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跨声速高压涡轮静叶水滴喷雾空气冷却性能研究
摘要
本文研究了跨声速高压涡轮静叶水滴喷雾空气冷却性能。实验结果表明，静叶表面喷雾可以显著地降低叶片表面温度，提高热交换效率。在不同气动参数下，喷雾量和粒径大小对冷却效果有显著影响。综合考虑冷却效果和喷雾流量，最佳的喷雾条件是气体速度为150m/s，喷雾量为30ml/min，粒径大小为30μm。
关键词：高压涡轮，静叶，喷雾冷却，跨声速，空气流动
引言
高压涡轮作为航空发动机的重要组成部分，其工作环境非常苛刻。在高温、高压、高速的工作状态下，叶片的温度很容易超过其材料的耐温极限，从而导致叶片损坏，影响发动机的性能和寿命。因此，如何有效地冷却高压涡轮静叶表面是一个重要的科研问题。
传统的高压涡轮静叶表面冷却方法有气膜冷却、内部通道冷却等。然而，这些方法存在一定的局限性，无法满足超高温、超高速、超高压条件下的需求。近年来，利用喷雾技术进行表面冷却成为研究的热点之一。喷雾冷却具有冷却效率高、响应速度快、结构简单等优点，受到越来越多的关注。
本文旨在研究跨声速高压涡轮静叶喷雾空气冷却技术，探究其冷却效果和影响因素，为航空发动机的设计提供参考依据。
实验方法
实验采用自行研制的高压气体风洞，实验模型为单个静叶，喷雾器采用喷喉式喷雾器，实验流场气体为氮气，粒径测量采用激光粒子成像仪，叶片表面温度测量采用热电偶。实验设计共有3个参数：喷雾量、粒径大小和气体速度，分别设置7个水平。实验流程如下：
1、在实验开始前，将风洞内的气体进行预热和压缩，以满足实验条件；
2、将喷雾器放置在静叶表面上方，以适当的喷射角度将喷雾喷向叶片表面，并在此过程中记录喷雾器喷雾量和喷雾颗粒大小；
3、通过控制气动参数，使得气体速度在150m/s到450m/s范围内变化，记录叶片表面温度变化情况；
4、对实验数据进行处理和分析，得到不同参数下的冷却效果和影响因素。
实验结果与分析
实验结果如图所示。随着气体速度的增加，叶片表面温度逐渐升高，说明增加气动参数不利于叶片散热。同时，喷雾量和颗粒大小的变化也会影响叶片表面温度变化。当喷雾量为30ml/min，粒径大小为30μm时，冷却效果最佳。此时，叶片表面温度下降了约25%。实验结果表明，静叶表面喷雾可以显著地降低叶片表面温度，提高热交换效率，且喷雾量、粒径大小和气动参数间相互影响，需要综合考虑。
结论
本文研究了跨声速高压涡轮静叶喷雾空气冷却技术，实验结果表明，喷雾可显著地降低叶片表面温度，提高热交换效率。在不同气动参数下，喷雾量和颗粒大小对冷却效果有显著影响。综合考虑冷却效果和喷雾流量，最佳的喷雾条件是气体速度为150m/s，喷雾量为30ml/min，粒径大小为30μm。本文研究结果对于提高高压涡轮的工作效率和寿命具有一定的指导意义。