CN113588709B - 一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法涉及发动机技术领域，解决了难以实现对涂层隔热效果的评价及预测的问题，包括如下步骤：建立一维涂层‑气膜理论换热模型；基于模型推导有无热障涂层时的热流q'和q，据此推导热障涂层起隔热作用的必要条件，通过测量有热障涂层时外部高温燃气侧换热系数和无热障涂层时外部高温燃气侧换热系数，判断热障涂层是否起了隔热作用；推导有无热障涂层时的最外侧的温度差与有无热障涂层时叶片金属基体外表面温度差之间的比例关系，通过测量热障涂层外表面温度和无热障涂层时叶片金属基体外表面温度，再根据比例关系预测热障涂层使叶片金属基体外表面温度下降的数值。本发明通实现了对隔热效果的准确预测。

Description

一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法
技术领域
本发明涉及工程热物理及高性能航空发动机技术领域，具体涉及一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法。
背景技术
热障涂层利用陶瓷材料优越的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热等性能大量应用在涡轮叶片中，以提高结构件抵抗高温腐蚀的能力。热障涂层的大量应用与技术发展，显著地提高了叶片的耐高温能力，进而提高发动机涡轮前温度，从而提高发动机的性能，同时，能够使得叶片金属基体受热均匀，温度梯度小，极大地延长了叶片的寿命与可靠性，并且能够减少冷气的使用量，让更多的工质参与到能量转换中，以提高发动机的性能。因此，热障涂层在近年来受到广泛地关注。
但近年来，热障涂层在实际应用中隔热效果与预期存在较大差距，当前采用涂层自身温降单一评价其隔热效果，而实际应用中更关心叶片金属基体表面温度，因而涂在叶片金属基体上的热障涂层在涡轮叶片实际应用中隔热效果与理论预期相差较大。对于掌握叶片的耐高温能力、发动机涡轮前温度，对于提高发动机的性能，对涡轮叶片热障涂层实际应用中隔热效果进行评价和预测变得尤为重要。同时，有研究发现，热障涂层对气膜冷却影响较大，但两者相关作用机理还不够清楚，相关数据不够充分，这使得更加难以实现对涂层隔热效果的评价及预测。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提供一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立一维涂层-气膜理论换热模型模拟带热障涂层的涡轮叶片的传热过程，所述模型包括气膜孔、热障涂层和叶片金属基体，所述传热过程包括外部高温燃气对流传热、气膜冷却、热障涂层隔热、叶片金属基体导热、内部冷却气对流强化换热；
步骤二、基于步骤一的一维涂层-气膜理论换热模型推导有热障涂层时的热流q′和无热障涂层时的热流q；根据q′和q，并通过热流与温度之间的关系转化，推导有无热障涂层时叶片金属基体外表面温度差(Tw2-T′w2)，根据(Tw2-T′w2)推导热障涂层起隔热作用的必要条件；通过测量有热障涂层时外部高温燃气侧换热系数h′1和无热障涂层时外部高温燃气侧换热系数h1，根据热障涂层起隔热作用的必要条件判断热障涂层是否起了隔热作用；
步骤三、通过热流与温度之间的关系转化，推导有无热障涂层时的最外侧的温度差(T′w3-Tw2)与有无热障涂层时叶片金属基体外表面温度差(Tw2-T′w2)之间的比例关系；通过测量热障涂层外表面温度T′w3和无热障涂层时叶片金属基体外表面温度Tw2，再根据所述比例关系预测热障涂层使叶片金属基体外表面温度下降的数值(Tw2-T′w2)。
本发明的有益效果是：
本发明中提出的一种涡轮叶片热障涂层的隔热效果评价和预测方法，基于一维气膜-涂层换热模型，通过理论推导，得到热障涂层有效性的理论判据，可以通过热障涂层物性参数及有无热障涂层时的外换热系数即可判断此时热障涂层是否对叶片金属基体起到隔热效果，进一步可以通过推导的温度差关系式，结合热障涂层和叶片金属基体的物性参数及有无热障涂层时的外换热系数和外表面温度即可推出此时热障涂层所带来的叶片金属基体表面的温度下降。通过本发明可以预测和评估带热障涂层的涡轮叶片中热障涂层的隔热效果，相较于测量叶片金属基体和热障涂层交面的参数，能够通过较少的参数和直接测量外表面相关参数即可评价热障涂层隔热效果，本发明考虑了叶片金属基体表面温度，未直接研究热障涂层对气膜孔冷却影响的作用机理，但考虑了热障涂层对气膜孔冷却的影响，通过简单的方式、全新的思路实现了对隔热效果的预测，预测贴近实际应用的效果，为掌握叶片的耐高温能力、发动机涡轮前温度和提高发动机的性能等提供了基础。
附图说明
图1为本发明的一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法的一维涂层-气膜理论换热模型示意图。
图2为本发明的一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法的有热障涂层的示意图。
图3为本发明的一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法的无热障涂层的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法，建立一维涂层-气膜理论换热模型模拟带热障涂层的涡轮叶片的传热过程，如图1模型包括气膜孔、热障涂层和叶片金属基体三部分组成，热障涂层简称涂层，热障涂层和叶片金属基体由外到内(图1的从左至右)顺次设置，气膜孔贯穿热障涂层和叶片金属基体，传热过程包括外部高温燃气对流传热、气膜冷却、热障涂层隔热、叶片金属基体导热、内部冷却气对流强化换热。其中，Tg为高温燃气的温度，Tc为冷却气的温度，h2为内部冷却气侧换热系数，h1为无热障涂层时外部高温燃气侧换热系数、h′1为有热障涂层时外部燃气侧换热系数，Tw1表示有热障涂层时叶片金属基体内表面温度，Tw1表示无热障涂层时叶片金属基体内表面温度，T′w2表示有热障涂层时叶片金属基体外表面温度，Tw2表示无热障涂层时叶片金属基体外表面温度，T′w3则表示热障涂层外表面温度，λ1表示热障涂层的导热系数，d1表示热障涂层的厚度，λ2表示叶片金属基体的导热系数，d2表示叶片金属基体的厚度。
理论公式的推导即是基于一维涂层-气膜理论换热模型，可以推出无涂层时的热流如式(1)和有涂层时的热流如式(2)：
Figure BDA0003180910420000041
Figure BDA0003180910420000042
在高温燃气和冷却气工况保持一定的情况下，通过热流与温度之间的关系转化，能够得到式(3)：
Figure BDA0003180910420000043
那么，涂层起作用的必要条件即如式(4)所示：
Tw2-T′w2＞0 (4)
即：
(1/h′1-1/h1+d1/λ1)＞0 (5)
若满足公式(5)，则涂层起到了隔热作用，再进行如下步骤；若不满足公式(5)，则涂层未起到期望的隔热作用。
通过热流与温度之间的关系转化，也可以得到式(6)：
Figure BDA0003180910420000044
即找到了有无涂层的最外侧的温度差与有无涂层时叶片金属基体外表面温度差之间的比例关系。
如图2和图3所示即是有无热障涂层两种工作情况。已知热障涂层和叶片金属基体的物性参数(λ1、d1、λ2和d2)，在相同的试验条件下分别测出有无涂层时高温燃气侧的换热系数h′1和h1，即可通过式(5)判断出此时涂层是否能让叶片金属基体外表面温度得到下降，即判断出涂层是否起作用，接着通过测得有无涂层时高温燃气侧外表面的温度T′w3和Tw2，通过式(6)即可预测出涂层能使叶片金属基体外表面温度下降的数值(Tw2-T′w2)。通常为通过公式(5)判断涂层起到了隔热降温作用时，才采用公式(6)进行预测，否则不进行公式(6)的预测。
本发明中提出的一种涡轮叶片热障涂层的隔热效果评价和预测方法，基于一维气膜-涂层换热模型，模型包括气膜孔、热障涂层和叶片金属基体，通过理论推导，得到涂层有效性的理论判据，可以通过涂层物性参数及有无涂层时的外换热系数即可判断此时涂层是否对叶片金属基体起到隔热效果，进一步可以通过推导的温度差关系式，结合涂层和叶片金属基体的物性参数及有无涂层时的外换热系数和外表面温度即可推出此时涂层所带来的叶片金属基体表面的温度下降。通过本发明可以预测和评估带热障涂层的涡轮叶片中涂层的隔热效果，相较于测量叶片金属基体和涂层交面的参数，能够通过较少的参数和直接测量外表面相关参数即可评价涂层隔热效果，相比于现有技术，考虑了叶片金属基体表面温度，未直接研究热障涂层对气膜孔冷却影响的作用机理，但考虑了热障涂层对气膜孔冷却的影响，通过简单的方式、全新的思路实现了对隔热效果的预测，预测贴近实际应用的效果，为掌握叶片的耐高温能力、发动机涡轮前温度和提高发动机的性能等提供了基础。

Claims (2)

1.一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、建立一维涂层-气膜理论换热模型模拟带热障涂层的涡轮叶片的传热过程，所述模型包括气膜孔、热障涂层和叶片金属基体，所述传热过程包括外部高温燃气对流传热、气膜冷却、热障涂层隔热、叶片金属基体导热、内部冷却气对流强化换热；
步骤二、基于步骤一的一维涂层-气膜理论换热模型推导有热障涂层时的热流q′和无热障涂层时的热流q；根据q′和q，并通过热流与温度之间的关系转化，推导有无热障涂层时叶片金属基体外表面温度差(Tw2-T′w2)，根据(Tw2-T′w2)推导热障涂层起隔热作用的必要条件；通过测量有热障涂层时外部高温燃气侧换热系数h′1和无热障涂层时外部高温燃气侧换热系数h1，根据热障涂层起隔热作用的必要条件判断热障涂层是否起了隔热作用；
步骤三、通过热流与温度之间的关系转化，推导有无热障涂层时的最外侧的温度差(T′w3-Tw2)与有无热障涂层时叶片金属基体外表面温度差(Tw2-T′w2)之间的比例关系；通过测量热障涂层外表面温度T′w3和无热障涂层时叶片金属基体外表面温度Tw2，再根据所述比例关系预测热障涂层使叶片金属基体外表面温度下降的数值(Tw2-T′w2)；
所述步骤一中模型的热障涂层的导热系数为λ1，热障涂层的厚度为d1，叶片金属基体的导热系数为λ2，叶片金属基体的厚度为d2；所述高温燃气的温度为Tg，冷却气的温度为Tc，内部冷却气侧换热系数为h2，有热障涂层时叶片金属基体内表面温度为T′w1，无热障涂层时叶片金属基体内表面温度为Tw1，有热障涂层时叶片金属基体外表面温度为T′w2；所述q′和q为：
Figure FDA0003669278560000011
Figure FDA0003669278560000012
所述有无热障涂层时叶片金属基体外表面温度差为：
Figure FDA0003669278560000021
热障涂层起隔热作用的必要条件为Tw2-T′w2＞0，即(1/h′1-1/h1+d1/λ1)＞0；
所述(T′w3-Tw2)与(Tw2-T′w2)之间的比例关系为：
Figure FDA0003669278560000022
2.如权利要求1所述的一种涡轮叶片热障涂层隔热效果评价及预测方法，其特征在于，当且仅当所述步骤二得到热障涂层起隔热作用的结果时，进行步骤三。
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