CN114112108A - 一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于涡轮冷却叶片领域，特别涉及一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法。本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，通过计算确定叶片隔热需求，选取热障涂层厚度初始值，然后对不同区域涂层隔热效果进行计算，反复迭代计算涂层厚度与隔热效果，直至热障涂层厚度与不同区域冷却需求相互匹配，保证热障涂层隔热效果满足设计目标，并在此基础上对涂层表面光顺处理。本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，从叶片对隔热效果的需求出发，适应叶片外型结构，能够实现全叶身变厚度热障涂层设计，满足叶片不同区域冷却需求，保证热障涂层达到设定的冷却效果与隔热能力。

Description

一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法

技术领域

本申请属于涡轮冷却叶片领域，特别涉及一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法。

背景技术

热障涂层是涡轮冷却叶片重要的热防护技术之一，可实现叶片冷却效果和隔热能力的提升，热障涂层的厚度与涂覆区域是影响冷却效果和隔热能力的重要因素，保证热障涂层的厚度、涂覆区域与叶片冷却需求匹配设计是保证涡轮冷却叶片达到设计目标的关键因素之一。热障涂层是完成叶片结构设计后，为达到整体冷却效果，预先在叶片外表面上增加一层恒定厚度的热障涂层，通过适应叶片结构与热障涂层技术的厚度调整，完成叶片热障涂层设计。采用该种方法设计的热障涂层，未考虑叶片不同区域冷却需求的差异性，使得热障涂层厚度与叶片冷却需求匹配性差，影响热障涂层的冷却效果与隔热能力。

针对现有问题的解决方案是：热障涂层厚度满足叶片不同区域冷却需求，适应叶片外型结构，保证热障涂层达到设定的冷却效果与隔热能力。按照目前的技术方案是在叶片表面预先设定一层恒定厚度的热障涂层，按照预先设定值完成真实叶片热障涂层试制，分析叶片表面实际涂层厚度，利用获得的实际涂层厚度修正预先设定值，形成叶片表面不同区域涂层厚度设计要求。现有技术方案为适应叶片结构与涂层技术，被动调整了热障涂层的厚度，使得涂层厚度不均匀，局部厚度波动大，未实现热障涂层与局部冷却需求的有效匹配，导致热障涂层隔热效果与隔热能力不满足设定要求。冷却不足导致叶片基体实际温度高于设计限制，降低叶片使用可靠性，带来叶片寿命缩短、换件率高的问题，提高了发动机的成本。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，以解决现有技术存在的这是一个问题。

本申请的技术方案是：

一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，包括：

步骤一、将叶片进行区块划分，并获取叶片的各个区块的目标壁温；

步骤二、计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步；

步骤三、

S301、选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温；

S302、将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，将热障涂层的初始厚度作为热障涂层的厚度；

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，对热障涂层的厚度进行迭代，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，确定热障涂层的厚度；

当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，则更换热障涂层，重复步骤三。

在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步包括：

S201、获取叶片的稳态壁温计算公式：

其中，T_bw为叶片外壁面温度，T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，H_g为燃气与叶片表面换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

根据叶片的稳态壁温计算公式计算得到叶片的各个区块的稳态壁温T_bw(Di)；

S202、将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比；

若所有T_bw(Di)≤T_σ(Di)，则不需要设计热障涂层；

若存在T_bw(Di)＞T_σ(Di)，则存在需要设计热障涂层的区块，进行下一步；

其中，T_σ(Di)为叶片的对应区块的目标壁温。

在本申请的至少一个实施例中，S301中，所述选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温包括：

获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效；

获取增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式：

其中，T_bw'为增加热障涂层后叶片外壁面温度，T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，H'_等效为燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温T_bw'(Di)；

计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温。

在本申请的至少一个实施例中，所述获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效包括：

计算增加热障涂层后叶片表面等效热阻R'_等效：

得到燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效：

其中，δ_t为热障涂层的厚度，k_t为热障涂层的导热系数。

在本申请的至少一个实施例中，所述根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温T_bw'(Di)为：

其中，m为叶片的区块总个数。

在本申请的至少一个实施例中，S302具体包括：

将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，即T_bw0'(Di)≤T_σ(Di)，将热障涂层的初始厚度δ_t0作为热障涂层的厚度，T_bw0'(Di)为热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的对应区块的稳态壁温；

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，即T_bw0'(Di)＞T_σ(Di)，对热障涂层的厚度进行迭代：

其中，δ_t,max为热障涂层厚度上限值，j为迭代次数，A为迭代次数阈值；

计算热障涂层厚度为δ_t(j)(Di)时对应的各个区块的稳态壁温，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，即T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)，确定热障涂层的厚度为δ_t(Di)＝δ_t(j)(Di)；

当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，即j＝A，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，即T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)，则更换热障涂层，重复步骤三。

在本申请的至少一个实施例中，还包括：

步骤四、获取叶片外型面为F，将各个区块的热障涂层厚度值δ_t(Di)与叶片外型面F进行叠加，得到新的叶片外型面F'，对叶片外型面F'进行光顺处理，光顺处理后的叶片外型面F'减去原始叶片外型面F得到最终的热障涂层厚度分布，其中，进行光顺处理时，保证δ_t,min'(Di)≥δ_t(Di)，δ_t,min'(Di)为光顺处理后区块Di内的最小热障涂层厚度值。

在本申请的至少一个实施例中，步骤四中，光顺处理后的叶片外型面F'达到G²连续。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，从叶片对隔热效果的需求出发，适应叶片外型结构，能够实现全叶身变厚度热障涂层设计，满足叶片不同区域冷却需求，保证热障涂层达到设定的冷却效果与隔热能力。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的叶片区块划分示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，包括以下步骤：

步骤一、将叶片进行区块划分，并获取叶片的各个区块的目标壁温；

步骤二、计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步；

步骤三、

S301、选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温；

S302、将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，将热障涂层的初始厚度作为热障涂层的厚度；

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，对热障涂层的厚度进行迭代，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，确定热障涂层的厚度；

当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，则更换热障涂层，重复步骤三。

在本申请的优选实施方案中，首先，将叶片进行区块划分，并获取叶片的各个区块的目标壁温T_σ(Di)，如图1所示，叶片分为m个区块，区块的数目m以及位置视所设计叶片具体需求而定。

本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，步骤二中，具体包括：

S201、获取叶片的稳态壁温计算公式：

对于每个区块Di，假设换热过程为稳态过程，则根据牛顿对流传热基本公式q＝hΔT、傅立叶导热定律

得出热流密度表达式：

其中，q为热流密度，h为换热系数，ΔT为温差，λ为导热系数，

为x方向上的温度梯度；

T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，T_bw为叶片外壁面温度，T_bn为叶片内壁面温度，H_g为燃气与叶片表面换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

T_g、H_g、T_c、H_c、L_yp、k_yp为已知量，且对于不同区块其数值不同。根据上述热流密度关联式，可得到叶片外表面稳态壁温计算公式：

其中，T_bw为叶片外壁面温度，T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，H_g为燃气与叶片表面换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

根据叶片的稳态壁温计算公式计算得到叶片的各个区块的稳态壁温T_bw(Di)；利用叶片设计输入参数可以完成叶片基体外表面不同区块壁温的计算；

S202、将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比；

若所有T_bw(Di)≤T_σ(Di)，则不需要设计热障涂层；

若存在T_bw(Di)＞T_σ(Di)，则存在需要设计热障涂层的区块，进行下一步；

其中，T_σ(Di)为叶片的对应区块的目标壁温。

对所有m个区块进行上述判断，若存在需要设计热障涂层的区块，则继续下一步。

本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，S301中，选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温包括：

获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效，具体为：

计算增加热障涂层后叶片表面等效热阻R'_等效：

得到燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效：

其中，δ_t为热障涂层的厚度，k_t为热障涂层的导热系数。

根据步骤二相同的方式，获取增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式：

其中，T_bw'为增加热障涂层后叶片外壁面温度，T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，H'_等效为燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温T_bw'(Di)：

其中，m为叶片的区块总个数。

将选取的热障涂层的导热系数k_t0，在热障涂层可实现的厚度范围内选择某一定值作为厚度初始值δ_t0，并设置厚度上限值δ_t,max，将δ_t0，k_t0代入上式进行计算获得对应区块的稳态壁温T_bw0'(Di)，从而计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温。

进一步，S302具体包括：

将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，即T_bw0'(Di)≤T_σ(Di)，将热障涂层的初始厚度δ_t0作为热障涂层的厚度，T_bw0'(Di)为热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的对应区块的稳态壁温；

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，即T_bw0'(Di)＞T_σ(Di)，对热障涂层的厚度进行迭代：

其中，δ_t,max为热障涂层厚度上限值，j为迭代次数，A为迭代次数阈值；

计算热障涂层厚度为δ_t(j)(Di)时对应的各个区块的稳态壁温，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，即T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)，确定热障涂层的厚度为δ_t(Di)＝δ_t(j)(Di)；

当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，即j＝A，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，即T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)，则更换热障涂层，重复步骤三。

重新选择热障涂层导热系数k_t(p)，p为迭代次数，p≥1)，并满足：

k_t(p)＜k_t(p-1)

至所有区块都满足T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)。

根据上述步骤，可以得到所需热障涂层导热系数k_t，以及叶片外表面不同区块的涂层壁厚值δ_t(Di)。

本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，还包括：步骤四、获取叶片外型面为F，将各个区块的热障涂层厚度值δ_t(Di)与叶片外型面F进行叠加，得到新的叶片外型面F'，对叶片外型面F'进行光顺处理，光顺处理后的叶片外型面F'减去原始叶片外型面F得到最终的热障涂层厚度分布，

本实施例中，进行光顺处理时，保证δ_t,min'(Di)≥δ_t(Di)，δ_t,min'(Di)为光顺处理后区块Di内的最小热障涂层厚度值。其中，光顺处理后的叶片外型面F'达到G²连续。G²连续是指曲面点点连续，并且其曲率分析结果为连续变化。

本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，通过计算确定叶片隔热需求，选取热障涂层厚度初始值，然后对不同区域涂层隔热效果进行计算，反复迭代计算涂层厚度与隔热效果，直至热障涂层厚度与不同区域冷却需求相互匹配，保证热障涂层隔热效果满足设计目标，并在此基础上对涂层表面光顺处理。

本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，从叶片对隔热效果的需求出发，适应叶片外型结构，能够实现全叶身变厚度热障涂层设计，满足叶片不同区域冷却需求，保证热障涂层达到设定的冷却效果与隔热能力。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，包括：

步骤一、将叶片进行区块划分，并获取叶片的各个区块的目标壁温；

步骤二、计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步；

步骤三、

S301、选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温；

S302、将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，将热障涂层的初始厚度作为热障涂层的厚度；

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，对热障涂层的厚度进行迭代，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，确定热障涂层的厚度；

当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，则更换热障涂层，重复步骤三。

2.根据权利要求1所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，步骤二中，所述计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步包括：

S201、获取叶片的稳态壁温计算公式：

其中，T_bw为叶片外壁面温度，T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，H_g为燃气与叶片表面换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

根据叶片的稳态壁温计算公式计算得到叶片的各个区块的稳态壁温T_bw(Di)；

S202、将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比；

若所有T_bw(Di)≤T_σ(Di)，则不需要设计热障涂层；

若存在T_bw(Di)＞T_σ(Di)，则存在需要设计热障涂层的区块，进行下一步；

其中，T_σ(Di)为叶片的对应区块的目标壁温。

3.根据权利要求2所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，S301中，所述选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温包括：

获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效；

获取增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式：

其中，T_bw'为增加热障涂层后叶片外壁面温度，T_g为燃气温度，T_c为冷气温度，H'_等效为燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数，H_c为冷气与叶片表面换热系数，k_yp为叶片基体的导热系数，L_yp为叶片壁厚；

根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温T_bw'(Di)；

计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温。

4.根据权利要求3所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，所述获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效包括：

计算增加热障涂层后叶片表面等效热阻R'_等效：

得到燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'_等效：

其中，δ_t为热障涂层的厚度，k_t为热障涂层的导热系数。

5.根据权利要求4所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，所述根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温T_bw'(Di)为：

其中，m为叶片的区块总个数。

6.根据权利要求5所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，S302具体包括：

将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，即T_bw0'(Di)≤T_σ(Di)，将热障涂层的初始厚度δ_t0作为热障涂层的厚度，T_bw0'(Di)为热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的对应区块的稳态壁温；

当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，即T_bw0'(Di)＞T_σ(Di)，对热障涂层的厚度进行迭代：

其中，δ_t,max为热障涂层厚度上限值，j为迭代次数，A为迭代次数阈值；

计算热障涂层厚度为δ_t(j)(Di)时对应的各个区块的稳态壁温，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，即T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)，确定热障涂层的厚度为δ_t(Di)＝δ_t(j)(Di)；

当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，即j＝A，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，即T_bw(j)'(Di)≤T_σ(Di)，则更换热障涂层，重复步骤三。

7.根据权利要求6所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，还包括：

步骤四、获取叶片外型面为F，将各个区块的热障涂层厚度值δ_t(Di)与叶片外型面F进行叠加，得到新的叶片外型面F'，对叶片外型面F'进行光顺处理，光顺处理后的叶片外型面F'减去原始叶片外型面F得到最终的热障涂层厚度分布，其中，进行光顺处理时，保证δ_t,min'(Di)≥δ_t(Di)，δ_t,min'(Di)为光顺处理后区块Di内的最小热障涂层厚度值。

8.根据权利要求7所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，步骤四中，光顺处理后的叶片外型面F'达到G²连续。

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