热障涂层冲蚀率模型及含涂层涡轮叶片冲蚀工况模拟方法

摘要

本发明公开了对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法和具有热障涂层的涡轮叶片冲蚀工况的模拟方法。训练方法包括：建立待拟合的冲蚀率模型；基于器件样品的热障涂层不同冲蚀角度下和不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率，得到热障涂层高温冲蚀率模型。冲蚀工况模拟方法包括：建立与涡轮叶片几何模型相对应的外流场模型；对外流场模型进行组装处理，生成流体计算域模型；基于热障涂层高温冲蚀率模型对流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据。本发明将商用有限元软件作为平台，成本低，同时考虑燃气中夹带不同粒径冲蚀粒子和涡轮叶片的复杂几何形状的关键因素，定量预测涡轮叶片热障涂层冲蚀失效。

说明书

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法和基于所述热障涂层高温冲蚀率模型对具有热障涂层的涡轮叶片的工况模拟方法。

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，使得用其制成的器件(如燃气轮机涡轮叶片)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。

然而，沉积在燃气轮机涡轮叶片表面的热障涂层在实际应用的过程中，燃气轮机不可避免的会吸入含粉尘的空气，另外燃气轮机内部的燃油燃烧不完全时也会产生炭黑颗粒，粉尘和炭黑颗粒统称为冲蚀颗粒，燃气及其中夹带的冲蚀颗粒经过燃烧室后速度会急剧增加，由于冲蚀颗粒具有惯性从而脱离燃气流动方向，以较大速度冲击到涡轮叶片热障涂层表面，大量的颗粒冲击到涂层表面会对其产生冲蚀磨损作用，使涂层逐渐减薄直至消失从而使金属基底暴露在高温燃气中，没有涂层提供的热防护，金属基底会迅速软化和氧化而使涡轮叶片断裂产生灾难性后果。因此，研究热障涂层在高温服役环境下的冲蚀破坏是非常需要的。

然而，由于夹带的冲蚀颗粒大小不一造成颗粒在燃气通道中的运动轨迹、 运动状态也不一样，涡轮叶片几何形状复杂且保持高速旋转，从而使得颗粒冲击到热障涂层时的位置、速度大小及相对于涂层表面的角度各不相同，具有较大的随机性和分散性。而且冲击到涂层的颗粒反弹后还会以不同的运动状态冲击叶片表面后续部位的热障涂层，对涂层产生冲蚀磨损作用。其机理非常复杂，一般的方法很难做到定量预测。用实验的方法研究其冲蚀破坏虽然可行，然耗费巨大，门槛很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气固两相流数值模拟技术的机涡轮叶片热障涂层冲蚀定量预测方法，适用于航空、舰船、电力用燃气轮机。

为了实现所述发明目的，根据本发明的一个方面，提供了一种对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法，包括：

建立待拟合的冲蚀率模型(1)，所述待拟合的冲蚀率模型包含待拟合参数；

获取器件样品的热障涂层在不同冲蚀角度下的冲蚀率；

获取器件样品的热障涂层在不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率；

基于所述不同冲蚀角度下的冲蚀率和不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率，对所述冲蚀率模型进行拟合计算，求出待拟合参数，得到热障涂层高温冲蚀率模型。

进一步，所述待拟合的冲蚀率模型的表达式为：

$E={\left(sin\alpha \right)}^{n_1}{(1+\frac{H_C}{H_P}(1-sin\alpha \left)\right)}^{n_2}\frac{K_e{v}^{2}h\rho }{2\Gamma }---\left(1\right);$

其中，E为冲蚀率，α为冲蚀角度，H_C为热障涂层的硬度，H_P为冲蚀颗粒的硬度，Γ为热障涂层的断裂韧性，ρ为热障涂层的密度，h为热障涂层的内部薄层厚度，v为冲蚀颗粒的速度，n₁、n₂、K_ε为待拟合参数。

进一步，所述冲蚀颗粒为氧化铝粉末。

进一步，所述热障涂层的硬度H_C取值为13GPa；

所述冲蚀颗粒的硬度H_P取值为15GPa；

所述热障涂层的密度ρ取值为5800kg/m³；

所述热障涂层的内部薄层厚度h取值为5μm；

所述热障涂层的断裂韧性Γ取值为50J/m²。

根据本发明的另一个方面，提供了一种具有热障涂层的涡轮叶片的工况模拟方法，包括：

对涡轮叶片进行几何建模，得到几何模型；

建立与所述几何模型相对应的外流场模型；

对所述外流场模型进行组装处理，并设置计算域参数，生成流体计算域模型；

根据上述热障涂层高温冲蚀率模型对所述流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据；

根据所述冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据，生成冲蚀颗粒速度轨迹图及冲蚀速率分布云图。

进一步，所述对涡轮叶片进行几何建模，得到几何模型包括：

在有限元建模软件中，建立涡轮静叶片的三维几何模型；

在有限元建模软件中，建立涡轮动叶片的三维几何模型。

进一步，所述建立与所述几何模型相对应的外流场模型包括：

在有限元建模软件中，导入所述涡轮静叶片的三维几何模型，建立相对应的静叶片外流场模型，并对所述静叶片外流场模型进行离散化处理，得到静叶片外流场离散化模型；

在有限元建模软件中，导入所述涡轮动叶片的三维几何模型，建立相对应的动叶片外流场模型，并对所述动叶片外流场模型进行离散化处理，得到动叶片外流场离散化模型。

进一步，所述对所述外流场模型进行组装处理，并设置计算域参数，生成流体计算域模型包括：

在有限元分析软件中，导入所述静叶片外流场离散化模型和动叶片外流 场离散化模型；

设置涡轮静叶片的计算域为静止坐标系；

设置涡轮动叶片的计算域为旋转坐标系；

设置静叶片外流场离散化模型的一端为流体进口面；

设置动叶片外流场离散化模型的一端为流体出口面；

设置静叶片外流场离散化模型与动叶片外流场离散化模型的交界面为冻结转子类型；

设置动叶片外流场离散化模型的两个侧面为周期性边界；

设置静叶片外流场离散化模型的两个侧面为周期性边界；

设置动叶片的表面为壁面边界；

设置静叶片的表面为壁面边界。

进一步，根据上述热障涂层高温冲蚀率模型对所述流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据，包括：

在程序编写软件中，对所述热障涂层高温冲蚀率模型进行编译，生成热障涂层高温冲蚀率模型程序；

在有限元分析软件中，将所述热障涂层高温冲蚀率模型程序导入所述流体计算域模型；

在有限元分析软件中，设置总压总温进口边界、静压出口边界、无冲蚀颗粒加入，生成无冲蚀颗粒加入的气体流动计算模型；

在有限元分析软件中，设置总压总温进口边界、静压出口边界、冲蚀颗粒相进口质量流量、进口初速度、冲蚀颗粒相与流体相耦合类型，生成有冲蚀颗粒加入的气固两相流动计算模型；

在有限元分析软件中，计算所述气体流动计算模型，得到含压力场、速度场和温度场的纯流体相数据文件；

在有限元分析求解软件中，以所述纯流体相数据文件作为初始值，计算所述气固两相流动计算模型，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨 迹数据和热障涂层被冲蚀量数据的结果文件。

进一步，所述气固两相流计算模型中，加入的冲蚀颗粒的半径可以为单一的某一数值，也可以是呈某一分布类型的随机数；冲蚀颗粒加入的位置可以是进口面均匀分布，也可以是成某一函数形式的集中分布。

本发明的有益效果是：本发明提供的热障涂层冲蚀率模型的训练方法及具有热障涂层的涡轮叶片的冲蚀工况模拟方法，既能够准确模拟流经叶片周围燃气和不同粒径的冲蚀颗粒运动，还能够考虑真实涡轮叶片的复杂几何形状,定量预测涡轮叶片热障涂层冲蚀失效。大大降低了研究热障涂层在高温服役环境下的冲蚀破坏的成本，具有良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法的步骤流程图；

图2是本发明对具有热障涂层的涡轮叶片的冲蚀工况模拟方法的步骤流程图；

图3为对具有热障涂层的涡轮叶片进行建模得到的几何模型示意图；

图4为与图3中所述几何模型相对应的外流场模型示意图；

图5为燃气通道中冲蚀颗粒的运动轨迹示意图；

图6为涡轮叶片的热障涂层的冲蚀量分布示意图。

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。

图1是本发明对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法的步骤流程图。

如图1所示，对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法包括：

步骤S01，建立待拟合的冲蚀率模型(1)，所述待拟合的冲蚀率模型包 含待拟合参数。

待拟合的冲蚀率模型的表达式为：

$E={\left(sin\alpha \right)}^{n_1}{(1+\frac{H_C}{H_P}(1-sin\alpha \left)\right)}^{n_2}\frac{K_e{v}^{2}h\rho }{2\Gamma }---\left(1\right);$

其中，E为冲蚀率，α为冲蚀角度，H_C为热障涂层的硬度，H_P为冲蚀颗粒的硬度，Γ为热障涂层的断裂韧性，ρ为热障涂层的密度，h为热障涂层的内部薄层厚度，v为冲蚀颗粒的速度，n₁、n₂、K_ε为待拟合参数。

步骤S02，获取器件样品的热障涂层在不同冲蚀角度下的冲蚀率。

在高温冲蚀模拟试验平台(现有专利ZL201310009271.9)上,对表面沉积有热障涂层的平板状的器件样品进行不同冲蚀角度下的冲蚀试验，得到热障涂层在不同冲蚀角度下的冲蚀率。其中，所述冲蚀角度为冲蚀颗粒的运动方向与热障涂层表面的夹角。

先选定冲蚀角度为90度，待气流、火焰稳定后，将已称重的器件样品移入高温冲蚀模拟试验平台，冲蚀适当时间后，取下器件样品，清洗干燥并称重，同时查看对应时间内冲蚀颗粒的使用量，器件样品的移入前后的质量差视为被冲蚀掉的热障涂层的质量，将被冲蚀掉的热障涂层的质量除以使用的冲蚀颗粒的质量，得到热障涂层在冲蚀角度为90度下的冲蚀率。之后，依次设定冲蚀角度为75、60、45、30、15度重复上述步骤，得到相应冲蚀角度下热障涂层的冲蚀率。

步骤S03，获取器件样品的热障涂层在不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率。

在高温冲蚀模拟试验平台上,对表面沉积有热障涂层的平板状的器件样品用某一速度的冲蚀颗粒对热障涂层进行冲蚀试验，得到该速度的冲蚀颗粒下热障涂层的冲蚀率，从小到大依次改变冲蚀颗粒的速度并重复试验，得到相应的冲蚀颗粒速度下热障涂层的冲蚀率。冲蚀颗粒的速度可以依次选取50m/s、100m/s、150m/s、200m/s、250m/s、300m/s。

步骤S04，基于所述不同冲蚀角度下的冲蚀率和不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率，对所述冲蚀率模型进行拟合计算，求出待拟合参数，得到热障涂 层高温冲蚀率模型。

优选的，所述冲蚀颗粒为氧化铝粉末。所述热障涂层的硬度H_C取值为13GPa；所述冲蚀颗粒的硬度H_P取值为15GPa；所述热障涂层的密度ρ取值为5800kg/m³；所述热障涂层的内部薄层厚度h取值为5μm；所述热障涂层的断裂韧性Γ取值为50J/m²。拟合实验数据可得到待拟合参数n₁＝2.65、n₁＝2.25、K_ε＝0.025。

需要说明的是，上述步骤S01、步骤S02、步骤S03三个步骤执行不分先后，不会限制本发明的保护范围，只要步骤S01、步骤S02、步骤S03都在步骤S04之前执行即可。

图2是本发明对具有热障涂层的涡轮叶片的冲蚀工况模拟方法的步骤流程图。

如图2所示，对具有热障涂层的涡轮叶片的冲蚀工况模拟方法包括：

步骤S1，对涡轮叶片进行几何建模，得到几何模型。

涡轮叶片包括涡轮静叶片(又称导向叶片)和涡轮动叶片。在有限元建模软件中，对轮静叶片和涡轮动叶片分别进行几何建模，得到涡轮静叶片的三维几何模型和涡轮动叶片的三维几何模型，如图3所示，其中a为涡轮静叶片的三维几何模型，b为涡轮动叶片的三维几何模型。

其中，有限元建模软件可以选用BladeGen软件，BladeGen软件为有限元建模软件的一种。当选用BladeGen软件时，建立的几何模型以inf格式文件导出。

步骤S2，建立与所述几何模型相对应的外流场模型。

在有限元建模软件中，导入所述涡轮静叶片的三维几何模型，建立相对应的静叶片外流场模型，并对所述静叶片外流场模型进行离散化处理，得到静叶片外流场离散化模型；此步骤可在TurboGrid软件中进行，该TurboGrid软件为有限元建模及离散化软件的一种，将结果导出为gtm格式文件。

在有限元建模软件中，导入所述涡轮动叶片的三维几何模型，建立相对应的动叶片外流场模型，并对所述动叶片外流场模型进行离散化处理，得到 动叶片外流场离散化模型；此步骤可在TurboGrid软件中进行，该TurboGrid软件为有限元建模及离散化软件的一种，将结果导出为gtm格式文件。

建立的外流场模型如图4所示。其中，外流场模型包括进口面1、出口面2、侧面3、交界面4、涡轮静叶片5、涡轮动叶片6。

步骤S3，对所述外流场模型进行组装处理，并设置计算域参数，生成流体计算域模型。

在有限元分析软件ANSYS CFX中，导入所述静叶片外流场离散化模型和动叶片外流场离散化模型。

设置计算域参数包括：设置涡轮静叶片5的计算域为静止坐标系；设置涡轮动叶片6的计算域为旋转坐标系；设置静叶片外流场离散化模型的一端为流体进口面1；设置动叶片外流场离散化模型的一端为流体出口面2；设置静叶片外流场离散化模型与动叶片外流场离散化模型的交界面4为冻结转子类型；设置动叶片外流场离散化模型的两个侧面2为周期性边界；设置静叶片外流场离散化模型的两个侧面2为周期性边界；设置动叶片的表面为壁面边界；设置静叶片的表面为壁面边界。

步骤S4，根据上述步骤S04所得到的热障涂层高温冲蚀率模型对所述流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据。

在程序编写软件Visual Studio中，对所述热障涂层高温冲蚀率模型编写为用户自定义程序，并进行编译，生成热障涂层高温冲蚀率模型程序；

在有限元分析软件ANSYS CFX中，将将编译的所述热障涂层高温冲蚀率模型程序导入所述流体计算域模型；

在有限元分析软件ANSYS CFX中，设置总压总温进口边界、静压出口边界、无冲蚀颗粒加入，湍流模型选定为基于SST的k-ω模型，生成无冲蚀颗粒加入的气体流动计算模型；

在有限元分析软件ANSYS CFX中，设置总压总温进口边界、静压出口边界、冲蚀颗粒相进口质量流量、冲蚀颗粒加入位置为在进口面上均匀分布、 加入冲蚀颗粒的粒径为服从正态分布类型的随机数、冲蚀颗粒进口初速度、冲蚀颗粒相与流体相耦合类型为简单耦合，湍流模型为基于SST的k-ω模型，生成有冲蚀颗粒加入的气固两相流动计算模型。具体地边界条件如下表：

进口总温1678K进口总压1303kPa动叶转速12600r/min出口静压470kPa颗粒初速度50m/s颗粒质量流量0.6g/s颗粒粒径均值40μm颗粒粒径标准差18μm

在有限元分析软件中，计算所述无冲蚀颗粒加入的气体流动计算模型，得到含压力场、速度场和温度场的纯流体相数据文件GAS，该文件为res格式。

在有限元分析求解软件中(在ANSYS CFX求解器中)，以所述纯流体相数据文件GAS作为初始值，计算所述有冲蚀颗粒加入的气固两相流动计算模型，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据的结果文件SOLID，该文件为res格式。需要说明的是，热障涂层被冲蚀量数据是通过已导入此流体计算域模型的热障涂层高温冲蚀率模型程序对外流场燃气速度场数据和冲蚀颗粒运动轨迹数据的计算而得到的。

优选的，在本发明的另一个实施例中，在上述步骤S4之后，还包括步骤S5，根据所述冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据，生成冲蚀颗粒速度轨迹图及冲蚀速率分布云图。

在有限元后处理软件中，打开结果文件SOLID，显示冲蚀颗粒运动轨迹，如图5所示，将轨迹颜色设定为冲蚀颗粒在此位置的运动速度。此步骤可在ANSYS CFX-Post软件中进行，该ANSYS CFX-Post为后处理软件的一种。

创建云图，位置选定静叶片表面和动叶片表面，显示变量设为热障涂层冲蚀率密度。

图6为涡轮叶片的热障涂层的冲蚀量分布示意图。

如图6所示，涡轮叶片表面热障涂层冲蚀最严重的区域为动叶片吸力面靠近前缘处和压力面的尾缘靠近机匣处以及静叶片压力面靠近尾缘处。

综上所述，本发明提供的热障涂层冲蚀率模型的训练方法及具有热障涂层的涡轮叶片的冲蚀工况模拟方法，既能够准确模拟流经叶片周围燃气和不同粒径的冲蚀粒子运动，还能够考虑真实涡轮叶片的复杂几何形状,定量预测涡轮叶片热障涂层冲蚀失效。大大降低了研究热障涂层在高温服役环境下的破坏机理的成本，具有良好的经济效益。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。