有限元方法分析冷却气膜孔对涡轮叶片TBCs温度场和应力场的影响

摘要

热障涂层因其较低的导热率具有良好的隔热效果，能够有效提高涡轮叶片的工作温度，改善发动机的工作效率，提高飞机的推重比，对于提高国力具有举足轻重的作用，广泛应用于航空发动机涡轮叶片。因热失配而产生的残余应力是热障涂层不可避免的，也是导致涂层失效的关键因素。本文以考虑冷却气膜孔的实际热障涂层涡轮叶片作为研究对象，采用流固耦合的方法，分别使用FLUENT软件和ABAQUS软件建立流体域计算模型和固体域计算模型。主要研究内容如下：
　　(1)建立带冷却气膜孔涡轮叶片热障涂层计算模型和流体域计算模型。围绕几何模型的构建和网格划分提出了详细的方法和介绍，并赋予材料参数，设置分析步和加载。流体域采用有限体积法解流体动力学方程，涡轮叶片采用有限单元法解固体热应力方程，通过第三方软件MPCCI实现流体计算域和固体计算域的联合模拟仿真。
　　(2)考虑单列冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片温度场和应力场的结果分析。流固耦合仿真计算得到单列冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片的高温稳态温度场，分析发现热障涂层具有较好的隔热效果，平均隔热达到了100K左右，压力面和吸力面涂层的隔热效果要优于前缘和后缘；冷却气膜覆盖的区域由于气膜冷却和热障涂层的共同作用具有最好的隔热效果，并且冷却气膜的冷却效果占据了主导作用，涂层的隔热效果相较于其他区域并不明显。并基于共轭温度场计算得到热障涂层冷却至室温后的残余应力。研究结果表明在气膜孔最右端的涂层表面是最有可能由于水平残余应力?11而导致剥落破坏的危险区域；在气膜孔最左端的涂层界面处则是由法向残余应力?22产生界面裂纹的最可能出现区域。
　　(3)对不含冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片模型与带冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片模型进行比较分析。对于不含冷却气膜孔的叶片模型，其在温度较高的前缘和尾缘位置涂层的隔热效果要优于温度相对较低的压力面和吸力面；热障涂层中陶瓷层的热应力高于过渡层，并且在陶瓷层和过渡层中热应力都是在前缘和尾缘两侧的叶根部位最大，热障涂层剥落失效易发生在这些位置。而对于含冷却气膜孔的叶片模型，其压力面和吸力面涂层的隔热效果要优于前缘和后缘；其热障涂层中也是陶瓷层的热应力高于过渡层，但在气膜孔处出现应力集中，陶瓷层和过渡层中热应力在气膜孔处最大,故热障涂层剥落失效易发生气膜孔处。
　　总之，本文采用流固耦合分析方法实现了实际带冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片高温稳态温度场和残余应力的有限元模拟，分析了冷却气膜孔对涡轮叶片热障涂层温度场和应力场的影响，为真实叶片涂层的失效预测提供了一些依据。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1引言

1.2 热障涂层的发展及其研究现状

1.3有限元方法在热障涂层涡轮叶片方面的应用

1.4 本文的选题依据与研究内容

第2章 带冷却气膜孔涡轮叶片热障涂层计算模型和流体域计算模型的建立

2.1 引言

2.2 固体域带冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片计算模型的建立

2.3 流体域计算模型的建立

2.4 耦合热分析过程的数值实现

2.5 本章小结

第3章 考虑冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片温度场和应力场的结果分析

3.1 引言

3.2 温度场的计算结果

3.3应力场的计算结果

3.4本章小结

第4章 不含冷却气膜孔叶片模型与带冷却气膜孔的叶片模型比较分析

4.1 引言

4.2 不含冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片温度场计算

4.3 不含冷却气膜孔的热障涂层涡轮叶片应力场计算

4.4 不含气膜孔叶片模型与带气膜孔的叶片模型对比分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利