一种涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法

摘要

一种涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法，包括：根据热障涂层和不带有热障涂层的涡轮叶片的两个计算域的温度场分布，以及热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力数据，进行预设程序计算,获得热障涂层的隔热效率，获得热障涂层局部综合和全局综合评价因子,本发明实现了三维带气膜孔的涡轮叶片热障涂层的模拟方法；建立了一个热障涂层应用效果评价参数，从隔热效率和应力水平两方面共同考虑来评价热障涂层，能更全面的体现热障涂层的综合应用性能，更利于热障涂层的设计和分析。

说明书

技术领域

本发明涉及高性能航空发动机中，隔热防护涂层系统的技术领域，具体涉及一种涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法。

背景技术

热障涂层(thermal barrier coatings,简称TBCs)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面。热障涂层对于基底材料起到隔热作用，其可降低基底温度，使得发动机涡轮叶片能在高温下运行，具有熔点高、热传导率低、耐腐蚀性、抗热震的特点。高温服役过程中，热障涂层可保护高温基底、提高热机温度和热效率，从而被广泛应用于航空、化工、冶金和能源领域。

热障涂层主要应用在带有气膜冷却、内部冷却结构的复杂叶片上，其隔热性能复杂多变，改善热障涂层的成分和结构上来提高热障涂层的隔热效率降低基底温度是当前研究的热点。另外，由于服役环境的恶劣，热障涂层应用的过程中可能剥落失效，导致叶片基底暴露在高温燃气下，导致巨大的损失和灾难，因此，服役寿命是制约热障涂层应用和发展的另一个关键问题。

热障涂层的隔热性能和服役寿命是两个非常重要的参数，被大量的研究和预测，而应力是影响服役寿命最主要的因素，但由于叶片结构的复杂性，热障涂层在不同工况下可能隔热性能好但应力过高导致服役寿命低、可能应力低但隔热性能不好导致基底叶片提前破坏，使得热障涂层在设计和应用过程中顾此失彼，造成巨大的困难。因此，结合热障涂层的隔热性能和应力水平两个方面来综合评价热障涂层的应用效果是非常必要的，建立一种热障涂层在涡轮叶片上的综合应用效果的评价方法对热障涂层的应用是有意义的。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法，基于热障涂层的隔热性能和应力水平两个方面衡量热障涂层应用效果的评价方法 (二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法，包括以下步骤：

步骤一，建立几何模型；；

步骤二，根据几何模型建立计算网格；

步骤三，根据所述计算网格,设置求解边界条件和材料参数,进行迭代计算,获得热障涂层和涡轮叶片两个计算域的温度场分布；

步骤四，根据热障涂层计算域的温度场分布和热障涂层计算网格，设置求解边界条件和材料参数,进行迭代计算,获得热障涂层应力场分布，并获得所述热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力数据；

步骤五，根据热障涂层和涡轮叶片的两个计算域的温度场分布，以及热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力数据，进行预设程序计算,获得热障涂层的隔热效果，获得热障涂层局部综合评价因子和全局综合评价因子；

步骤六，根据热障涂层局部综合评价因子和全局综合评价因子，获得对热障涂层的隔热效果和应力水平的评价。

优选的,所述步骤一使用有限元分析软件，建立热障涂层的几何模型、涡轮叶片几何模型和外流场几何模型，热障涂层设置在涡轮叶片外部，包裹涡轮叶片,其中：热障涂层几何模型材料设定为氧化钇稳定的氧化锆；涡轮叶片几何模型材料设定为钢；外流场几何模型材料设定为空气。

优选的,所述步骤二中的计算网格包括，热障涂层的计算网格、涡轮叶片的计算网格和外流场计算网格，其中，热障涂层的计算网格、涡轮叶片的计算网格和外流场计算网格，其中，热障涂层计算网格被细化来得到涂层内温度和应力的梯度，与气流接触的流固界面处进行网格细化，将其细化为多层边界层网格来降低计算中对流换热的误差。

优选的,所述步骤三中将热障涂层计算网格、涡轮叶片计算网格和外流场计算网格导入有限元分析软件，定义热障涂层的材料参数，采用SST k-ω湍流模型和非平衡近壁面模型，设置求解边界条件,进行迭代步求解，直至结果收敛到小于10^-5，得到热障涂层和涡轮叶片两个计算域的温度场分布。

优选的,所述材料参数包括密度、热传导系数、粘度系数、比热容、热膨胀系数；边界条件包括主流入口、出口的压力和温度，冷气入口的压力和温度，以及壁面的耦合换热和周期性边界条件。

优选的,所述步骤四中，将热障涂层计算网格导入有限元分析软件，将热障涂层温度场通过插值法赋值到热障涂层计算网格中，设置求解边界条件和材料参数,进行迭代计算,得到带有热障涂层的涡轮叶片应力场分布，并获得所述热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力数据。

优选的,所述步骤五中隔热效果由热障涂层和涡轮叶片的温度差来表示，所述温度差由在热障涂层和涡轮叶片的两个计算域的温度场内获取对应位置的表面温度，并相减获得。

优选的,所述步骤五中热障涂层局部综合和全局综合评价因子的预设程序的公式是：

Y是热障涂层局部综合评价因子，Y_T是热障涂层全局综合评价因子，S表示叶片表面积，w是危险系数，通过试验针对不同的位置危险性取值，T_tbc、T_notbc是有无热障涂层的涡轮叶片表面温度，σ_max是热障涂层的材料强度，T_∞是指燃气入口温度，T_c是指冷却气体温度，σ是指局部最大主应力或者最大剪应力。

优选的，所述步骤六的热障涂层局部综合评价因子和全局综合评价因子值小于1，越小说明热障涂层的综合性能越差，当为负值时说明涂层应力过大，涂层会失效。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了三维带气膜孔的涡轮叶片热障涂层的模拟方法；建立了一个热障涂层应用效果评价参数，从隔热效率和应力水平两方面共同考虑来评价热障涂层，能更全面的体现热障涂层的综合应用性能，更利于热障涂层的设计和评价。

综上所述，本发明提供了一种热障涂层应用效果的评价方法，大大降低了热障涂层应用和优化设计的成本，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明评价方法的流程示意图；

图2为外流场的几何模型；

图3为包含热障涂层和涡轮叶片的几何模型；

图4为有、无热障涂层叶片表面温度云图；

图5为中弦线热障涂层隔热效率折线图；

图6为热障涂层外表面和涡轮叶片与热障涂层接触面的中弦线热障涂层最大主应力折线图；

图7为中弦线热障涂层综合评价因子折线图；

图2中1为燃气入口，2为燃气出口，3为外流场，图3中4为不带有热障涂层的涡轮叶片，5为热障涂层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明的涡轮叶片热障涂层应用效果的评价方法包括如下步骤：

(1)在几何建模软件中，建立热障涂层几何模型、不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型和外流场几何模型。

1.1在Solidwork软件中，建立如图2的外流场几何模型，记为FLUID，保存为.x_t格式；

1.2在Solidwork软件中，建立热障涂层几何模型和不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型，如图3，热障涂层几何模型记为TBC，保存为.x_t格式，不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型记为VANE，保存为.x_t格式，其中热障涂层厚度为0.3mm；

1.3热障涂层几何模型材料设定为氧化钇稳定的氧化锆；不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型材料设定为钢；外流场几何模型材料设定为空气。

(2)根据步骤一得到的热障涂层几何模型、不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型和外流场几何模型,建立热障涂层计算网格、不带有热障涂层的涡轮叶片计算网格和外流场计算网格；

2.1将热障涂层几何模型、不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型和外流场几何模型导入ICEM软件，进行几何布尔合并，进行倒角化处理和几何修补，使面完整而连续；

2.2根据几何形状和尺寸设置网格参数，细化热障涂层计算域的网格，由于热障涂层厚度远小于不带有热障涂层的涡轮叶片的厚度，为了提高网格质量，需要细化热障涂层的网格，在流固界面处划分5层边界层，流固界面处是指热障涂层与气流接触的外壁面。

2.3给各计算网格对应命名，热障涂层计算网格记为TBC，不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型记为VANE，外流场几何模型，记为FLUID，给计算网格各边界入口、出口、叶片表面、周期界面分别命名，并导出为.cfx5格式的网格，其中涡轮叶片与热障涂层接触面命名为i-tbc，热障涂层外表面命名为s-tbc。

(3)根据所述热障涂层计算网格、不带有热障涂层的涡轮叶片计算网格和外流场计算网格,定义热障涂层的材料参数，设置求解边界条件,进行迭代计算, 得到热障涂层和不带有热障涂层的涡轮叶片两个计算域的温度场分布；

3.1将步骤二中所得的三个.cfx5格式网格模型导入Ansys CFX软件中，检查网格；

3.2定义热障涂层材料设定为氧化钇稳定的氧化锆其参数如表1，具体包括密度、热传导系数、粘度系数、比热容、热膨胀系数；不带有热障涂层的涡轮叶片几何模型材料设定为钢；外流场几何模型材料设定为空气。采用剪应力输送湍流模型和非平衡近壁面模型，定义边界条件包括进口主流入口、出口的压力和温度，冷气入口的压力和温度，以及壁面的耦合换热和周期性边界条件，具体如表2。设置1200个迭代步求解，待结果收敛到小于10^-5后得到稳态结果；

表1氧化钇稳定的氧化锆的参数图

表2流场边界条件参数图

3.3分析上一步中计算结果，确认收敛后，导出热障涂层和不带有热障涂层的涡轮叶片两个计算域的温度场分布，保存为T_tbc.csv和T_vane.csv 文档。

(4)根据所述热障涂层计算域的温度场分布和热障涂层计算网格，设置求解边界条件和材料参数,进行迭代计算,得到热障涂层应力场分布，并获得热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力数据；

4.1将热障涂层计算网格导入Ansys有限元分析软件中，并且将上一步获得的热障涂层温度场通过插值导入网格；

4.2设置为线弹性求解模型，考虑热应力；定义材料参数包括密度、弹性模量、泊松比、热传导系数、比热容，设置边界条件进行求解计算；

4.3分析上一步中计算结果，确认收敛后，导出热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力，数据保存为Stress_principal.csv和 Stress_shear.csv文档。

(5).根据所述热障涂层和不带有热障涂层的涡轮叶片的两个计算域的温度场分布，以及热障涂层应力场的最大主应力和最大剪应力数据，进行预设计算程序计算,获得热障涂层的隔热效率，获得热障涂层局部综合和全局综合评价因子。

5.1提取热障涂层和不带有热障涂层的涡轮叶片的两个计算域的温度场内对应位置的表面温度，将其对应位置的温度相减得到热障涂层的隔热性能；

5.2提取Stress_principal.csv和Stress_shear.csv文档的数据，得到热障涂层界面的最大主应力和最大剪应力；

5.3建立如下的Y的作为热障涂层的评价因子，将热障涂层的隔热效率和最大主应力输入，运用自编Python程序计算得到热障涂层的局部综合和全局综合评价因子，计算公式如下；

Y是热障涂层局部综合评价因子，Y_T是热障涂层全局综合评价因子，S表示叶片表面积，w是危险系数，通过试验针对不同的位置危险性取值，这里考虑到叶片前缘和尾缘曲率和受冲蚀严重，经验的选取如图4的函数。T_tbc、>notbc是有无热障涂层叶片表面温度，σ_max是热障涂层的材料强度，T_∞是指燃气入口温度，T_c是指冷却气体温度，σ是指局部最大主应力和最大剪应力。

获得的热障涂层局部综合评价因子和热障涂层全局综合评价因子同时反映热障涂层涂层的隔热效果和应力水平两方面，用一个综合评价因子值的大小来对热障涂层的综合性能做一个评估，对热障涂层的设计和优化具有重要的意义。所得数值的范围小于1之间，值越大，说明隔热效果越好，应力水平不高，综合评价越高，值越小综合评价越差，当值为负时说明涂层会发生局部剥落。

式中w危险系数的取值由下式得到：

w(x_s,z)＝1-b[|sin(πz)cos(2πx_s)|+sin(πz)cos(2πx_s)](3)

式中，b是危险因子，z代表叶高，x_s表示叶片弦长位置，由实验确定；在工程上对于不同位置的危险性是不一样的，所以为了得到一个全局的评价因子时，在基本评价Y再乘上一个权重w，而w则需要根据工程经验取不同的值，不同工况的叶片w是不一样的，式3中是根据实验的某一种经验取法。

如图4为有、无热障涂层叶片表面温度云图，可以发现热障涂层明显降低了叶片的温度，且降低了叶片的温度梯度；

如图5为中弦线热障涂层隔热效率折线图，图中横坐标-1～1表示从尾缘 -压力面-前缘-吸力面-尾缘的弦向相对位置。可以看出，热障涂层在前缘和压力面隔热效率比较差，约为20K左右，在尾缘处隔热效率基本都大于60K。

如图6为热障涂层外表面和涡轮叶片与热障涂层接触面的中弦线热障涂层最大主应力折线图，可以看出，涡轮叶片与热障涂层接触面的中弦线热障涂层最大主应力大于热障涂层外表面的中弦线热障涂层最大主应力，且在气膜孔处应力较高。

如图7为中弦线热障涂层综合评价因子折线图，结合公式(1)，从图中可以看出：a.热障涂层在前缘及其附近Y较小，这是由于前缘热障涂层的隔热性能较差且热应力也较高，因此其综合性能不好；b.在尾缘处具有好的隔热性能且应力值不高，所以综合评价是好的；c.在压力面中部尽管隔热效率最大，但其应力水平也较高，因此其评价不是最高；也可得到当b＝0.5时，Yt ＝0.01684，用这一参数可以比较不同热障涂层的全局应用效果，以便于工程上对热障涂层的优化设计，因此说明本评价方法可以同时考虑热障涂层涂层的隔热性能和应力水平两方面，得到一个热障涂层的综合性能的评估值，对热障涂层的设计和优化具有重要的意义。

本算例求解涡轮叶片热障涂层的隔热性能和热应力，可以同时考虑热障涂层的隔热性能和应力水平两方面，对热障涂层的综合性能做一个评估。实际涡轮发动机工况远比这要复杂，运用本方法模拟和评价更复杂环境的热障涂层，对热障涂层在工程上的设计和优化具有重要的意义。