CN115688327A - 一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法 - Google Patents

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CN115688327A CN202211680588.0A CN202211680588A CN115688327A CN 115688327 A CN115688327 A CN 115688327A CN 202211680588 A CN202211680588 A CN 202211680588A CN 115688327 A CN115688327 A CN 115688327A
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程荣辉
曹茂国
韦文涛
马世岩
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Abstract

本申请属于涡轮叶片温度场计算领域，特别涉及一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法。包括：步骤一、获取涡轮叶片热障涂层喷涂厚度要求数据；步骤二、将涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面；步骤三、在各个S1流面的盆侧由前缘至尾缘确定多个站数；在各个S1流面的背侧由前缘至尾缘确定多个站数；步骤四、根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度。本申请的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，充分考虑叶身不同区域涂层厚度不同对温度场的影响，提高了叶片温度场计算精度。

Description

一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法
技术领域
本申请属于涡轮叶片温度场计算领域，特别涉及一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法。
背景技术
随着发动机进口温度的显著提高，涡轮叶片多采用表面涂覆热障涂层来降低基体工作温度，提高叶片承温能力和寿命。对于涡轮转子叶片，考虑到热障涂层会显著增加叶片重量，因此常采用针对叶片高温区域的分区涂覆设计；对于涡轮导向叶片，尤其多联结构的导向叶片，兼顾生产工艺水平以及气动性能对排气面积的需求，常采用分区变厚度涂层设计，在确保叶片涂层后喉部实际流通能力的同时，实现叶片高温区域的有效冷却。
针对带热障涂层涡轮叶片的温度场评估，现有的计算带热障涂层涡轮叶片温度场的技术方案主要分为两种：1、应用三维计算软件通过添加壳单元或者在叶身外表面添加接触热阻进行叶片温度场计算；2、在叶片外换热计算时对换热系数计算结果进行修正。两种计算方法在计算时均将热障涂层按照等厚度处理，未考虑叶身不同区域涂层厚度不同对温度场的影响，因此传统计算方法会导致温度评估结果存在偏差。
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带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，以解决现有技术中存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，包括：
步骤一、获取涡轮叶片热障涂层喷涂厚度要求数据；
步骤二、将涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面；
步骤三、
在各个S1流面的盆侧由前缘至尾缘确定多个站数；
在各个S1流面的背侧由前缘至尾缘确定多个站数；
步骤四、根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度。
在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，所述将涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面，包括：
将涡轮叶片沿径向等间距划分成n个S1流面，其中，叶片高度除以10mm后取整得到n。
在本申请的至少一个实施例中，步骤二中，
当涡轮叶片的进口截面面积与出口截面面积之比在0.9到1.1之间时，S1流面为圆柱面；
当涡轮叶片的进口截面面积与出口截面面积之比小于0.9或者大于1.1时，S1流面为圆锥面。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，根据以下原则确定站数：
热障涂层喷涂厚度要求一致的区域相邻两站的弧长不大于1mm，热障涂层喷涂厚度要求发生变化的区域相邻两站的弧长不大于0.5mm。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，在各个S1流面的盆侧以及背侧确定的站数相同。
在本申请的至少一个实施例中，在各个S1流面的盆侧以及背侧均确定33站数。
在本申请的至少一个实施例中，步骤三中，在各个S1流面的盆侧以及背侧确定的站数不同。
在本申请的至少一个实施例中，步骤四中，所述根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度，包括：
获取各个站数的热障涂层喷涂厚度；
计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数：
Figure 413647DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 799629DEST_PATH_IMAGE002
为有效换热系数，
Figure 844945DEST_PATH_IMAGE003
为喷涂热障涂层前燃气与叶片表面换热系数，
Figure 584362DEST_PATH_IMAGE004
为热障涂层厚度，
Figure 601997DEST_PATH_IMAGE005
为热障涂层导热系数；
根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度：
Figure 690039DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 550547DEST_PATH_IMAGE007
为喷涂热障涂层后涡轮叶片温度，
Figure 218289DEST_PATH_IMAGE008
为燃气温度，
Figure 467261DEST_PATH_IMAGE009
为冷气温度，
Figure 929466DEST_PATH_IMAGE002
为有效换热系数，
Figure 277271DEST_PATH_IMAGE010
为冷气与叶片表面换热系数，
Figure 279862DEST_PATH_IMAGE011
为叶片基体的导热系数，
Figure 6510DEST_PATH_IMAGE012
为叶片壁厚。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，充分考虑叶身不同区域涂层厚度不同对温度场的影响，提高了叶片温度场计算精度。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的涡轮叶片示意图；
图2是本申请一个实施方式的喷涂热障涂层后涡轮叶片示意图；
图3是本申请一个实施方式的涡轮叶片S1流面示意图；
图4是本申请一个实施方式的对应站数的有效换热系数示意图。
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至图4对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，包括以下步骤：
步骤一、获取涡轮叶片热障涂层喷涂厚度要求数据；
步骤二、将涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面；
步骤三、
在各个S1流面的盆侧由前缘至尾缘确定多个站数；
在各个S1流面的背侧由前缘至尾缘确定多个站数；
步骤四、根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度。
本申请的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，首先，获取涡轮叶片热障涂层喷涂厚度要求数据，通过对不带热障涂层的涡轮叶片进行温度场和应力场分析，并结合叶片材料的许用温度要求和应力分布情况，实现涡轮叶片热障涂层喷涂厚度的设计，然后将喷涂热障涂层后的涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面。
在本申请的优选实施方式中，将涡轮叶片沿径向等间距划分成n个S1流面，S1流面数量跟叶片高度有关。本实施例中，叶片高度除以10mm后取整得到n。另外，S1流面的选取也需要考虑涡轮叶片的实际情况，通常认为S1流面等厚度（该厚度指半径高度），但对于涡轮叶片进口截面面积与出口截面面积差别较大的涡轮，需要考虑S1流面沿流向的厚度变化。本实施例中，当涡轮叶片的进口截面面积与出口截面面积之比在0.9到1.1之间时，S1流面为圆柱面；当涡轮叶片的进口截面面积与出口截面面积之比小于0.9或者大于1.1时，S1流面为圆锥面。涡轮S1流面一般为翘曲面，在流动轴对称假说下，工程计算中S1流面为子午流线绕涡轮旋转轴的回转面。对于沿叶高径向流动复杂程度较弱的涡轮，子午流线可以简化子午流道的相对高度线，根据子午流线的斜率、曲率大小，可对S1流面进行不同程度的简化。通常计算中选取的S1面有回转面、圆锥面、圆柱面、平面等几种形式。当子午流线斜率或曲率较大的，适宜选取回转面作为S1流面；当子午流线接近平直，可选取圆柱面和平面作为S1流面；当子午流线斜率较大且曲率较小时，可选取圆锥面作为S1流面。
进一步，步骤三中，各个S1流面的盆侧以及背侧的站数根据以下原则确定：热障涂层喷涂厚度要求一致的区域相邻两站的弧长不大于1mm，热障涂层喷涂厚度要求发生变化的区域相邻两站的弧长不大于0.5mm。其中，各个S1流面的盆侧以及背侧确定的站数可以相同，也可以不同。
进一步，步骤四中，根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度，具体为：
获取各个站数的热障涂层厚度；
通过换热系数修正公式，计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数：
Figure 780562DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 287767DEST_PATH_IMAGE002
为有效换热系数，
Figure 31732DEST_PATH_IMAGE003
为喷涂热障涂层前燃气与叶片表面换热系数， W/(m2·K)，
Figure 3099DEST_PATH_IMAGE004
为热障涂层厚度，m，
Figure 603844DEST_PATH_IMAGE005
为热障涂层导热系数，W/(m•K)，热障涂层导热系数 根据实际涂层材料设定；
根据有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度：
Figure 801607DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 457586DEST_PATH_IMAGE007
为喷涂热障涂层后涡轮叶片温度，
Figure 221142DEST_PATH_IMAGE008
为燃气温度，
Figure 461631DEST_PATH_IMAGE009
为冷气温度，
Figure 740165DEST_PATH_IMAGE002
为有效换热系数，
Figure 888250DEST_PATH_IMAGE010
为冷气与叶片表面换热系数，
Figure 709575DEST_PATH_IMAGE011
为叶片基体的导热系数，
Figure 730752DEST_PATH_IMAGE012
为叶片壁厚。
根据涡轮进出口参数，求解能量守恒方程和欧拉方程得到每一站气动参数，包括温度、压力和马赫数等，根据气动参数进行上述叶片外换热计算，从而得到每一站对应的有效换热系数。
在本申请的一个实施方式中，涡轮导向叶片中部S1流面盆侧总弧长L1=72.54mm，背侧总弧长L2=81.07mm，左叶片不同弧长比位置的热障涂层喷涂厚度要求汇总如表1所示，参见图2，其中，A、B、C、D分别表示不同的涂层厚度区域，各个S1流面的盆侧以及背侧均确定33站数，如图3所示。其中，弧长比为当前站到第一站的弧长与对应盆侧或背侧总弧长的比值。
修正前后S1流面盆侧以及背侧换热系数如表2所示。本实施例中，热障涂层导热系数取1.8W/(m•K)。
表1
Figure 434266DEST_PATH_IMAGE014
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE016
本申请的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，在计算出各个站数的涡轮叶片温度后，可以根据各个位置的温度数据实现涡轮叶片温度场的绘制。
本申请的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，将涡轮叶片沿径向划分多个S1流面，根据弧长在各个S1流面确定多个站数，分别计算出各个站数的涡轮叶片温度，实现涡轮叶片温度场的绘制。本申请充分考虑叶身不同区域涂层厚度不同对温度场的影响，提高了叶片温度场计算精度。
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)

1.一种带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取涡轮叶片热障涂层喷涂厚度要求数据；
步骤二、将涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面；
步骤三、
在各个S1流面的盆侧由前缘至尾缘确定多个站数；
在各个S1流面的背侧由前缘至尾缘确定多个站数；
步骤四、根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度。
2.根据权利要求1所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，步骤二中，所述将涡轮叶片沿径向划分成多个S1流面，包括：
将涡轮叶片沿径向等间距划分成n个S1流面，其中，叶片高度除以10mm后取整得到n。
3.根据权利要求2所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，步骤二中，
当涡轮叶片的进口截面面积与出口截面面积之比在0.9到1.1之间时，S1流面为圆柱面；
当涡轮叶片的进口截面面积与出口截面面积之比小于0.9或者大于1.1时，S1流面为圆锥面。
4.根据权利要求3所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，步骤三中，根据以下原则确定站数：
热障涂层喷涂厚度要求一致的区域相邻两站的弧长不大于1mm，热障涂层喷涂厚度要求发生变化的区域相邻两站的弧长不大于0.5mm。
5.根据权利要求4所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，步骤三中，在各个S1流面的盆侧以及背侧确定的站数相同。
6.根据权利要求5所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，在各个S1流面的盆侧以及背侧均确定33站数。
7.根据权利要求4所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，步骤三中，在各个S1流面的盆侧以及背侧确定的站数不同。
8.根据权利要求5或7所述的带分区变厚度热障涂层的涡轮叶片温度场计算方法，其特征在于，步骤四中，所述根据各个站数的热障涂层喷涂厚度计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数，并根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度，包括：
获取各个站数的热障涂层喷涂厚度；
计算出各个站数喷涂热障涂层后的有效换热系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为有效换热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为喷涂热障涂层前燃气与叶片表面换热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为 热障涂层厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为热障涂层导热系数；
根据所述有效换热系数计算出各个站数的涡轮叶片温度：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为喷涂热障涂层后涡轮叶片温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为燃气温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为冷气温度，
Figure 633493DEST_PATH_IMAGE002
为 有效换热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为冷气与叶片表面换热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为叶片基体的导热系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为叶 片壁厚。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20230203

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