DE112019000843T5

DE112019000843T5 - Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung

Info

Publication number: DE112019000843T5
Application number: DE112019000843.9T
Authority: DE
Inventors: Li Yang; Zhiyuan Liu; Yichun Zhou; Wang Zhu
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-11-12
Also published as: RU2020134084A; CN109446592A; RU2020134084A3; US20210264073A1; WO2020078483A1; CN109446592B

Abstract

Ein Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung, umfassend: Durchführen einer Berechnung des voreingestellten Programms in Übereinstimmung mit der Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung sowie den Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung, um eine Wärmeisolationseffizienz der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten und somit einen lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und einen globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten; in der vorliegenden Erfindung wird ein dreidimensionales Simulationsverfahren der Wärmesperrbeschichtung für die Turbinenschaufel mit einem Gasfilmloch realisiert; und die Bewertungsparameter für den Verwendungseffekt der Wärmesperrbeschichtung werden erstellt, dabei wird die Wärmesperrbeschichtung in Hinsicht auf die Wärmeisolationseffizienz und das Spannungsniveau bewertet, so dass die umfassende Verwendungsleistung der Wärmesperrbeschichtung vollständiger reflektiert wird, was förderlicher für das Design und die Analyse der Wärmesperrbeschichtung ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet des wärmeisolierenden Schutzbeschichtungssystems in Hochleistungs-Flugtriebwerken, insbesondere ein Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung.
STAND DER TECHNIK
Die Wärmesperrbeschichtung (thermal barrier coatings, als TBCs verkürzt) ist eine Keramikbeschichtung, die auf der Oberfläche von hochtemperaturbeständigen Metallen oder Superlegierungen abgeschieden ist. Die Wärmesperrbeschichtung kann eine wärmeisolierende Funktion für das Substratmaterial erreichen und die Temperatur des Substrats reduzieren, damit eine Turbinenschaufel eines Motors bei einer hohen Temperatur arbeiten kann, und weist die Eigenschaften eines hohen Schmelzpunkts und einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit und der Wärmeschockbeständigkeit auf. Während eines Hochtemperaturbetriebs kann die Wärmesperrbeschichtung das Substrat vor der hohen Temperatur schützen, die Temperatur und den thermischen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine verbessern und wird daher in den Bereichen von Luftfahrt, Chemieingenieurwesen, Metallurgie und Energie weit verbreitet.
Die Wärmesperrbeschichtung wird hauptsächlich für eine komplexe Schaufel mit einer Gasfilmkühlstruktur und einer inneren Kühlstruktur verwendet und weist komplexe und veränderbare Wärmeisolationsleistung. Gegenwärtig ist es ein Untersuchungsbrennpunkt, durch eine Verbesserung der Zusammensetzung und der Struktur der Wärmesperrbeschichtung die Wärmeisolationseffizienz der Wärmesperrbeschichtung zu verbessern und die Substrattemperatur zu reduzieren. Da sich die Wärmesperrbeschichtung im Verwendungsprozess unter ungünstigen Betriebsbedingungen ablösen und somit ihre Funktion verlieren kann, führt es dazu, dass das Schaufelsubstrat einem Hochtemperaturgas ausgesetzt ist, wodurch enorme Verluste und Katastrophen verursacht werden. Aufgrund dessen ist die Lebensdauer ein weiteres Schlüsselproblem, welches die Verwendung und Entwickelung der Wärmesperrbeschichtung einschränkt.
Als zwei sehr wichtige Parameter der Wärmesperrbeschichtung werden die Wärmeisolationsleistung und die Lebensdauer ausführlich untersucht und vorhergesagt, und die Spannung ist der wichtigste Faktor, der die Lebensdauer beeinflusst. Aufgrund der komplexen Struktur der Schaufel kann die Wärmesperrbeschichtung unter unterschiedlichen Arbeitsbedingungen möglicherweise eine gute Wärmeisolationsleistung aufweisen, jedoch eine kürzere Lebensdauer, wenn die Spannung zu hoch ist, oder kann ein vorzeitiges Versagen der Substratschaufel verursachen, das auf eine schlechtere Wärmeisolationsleistung zurückzuführen ist, wenn die Spannung niedrig ist, was dazu führt, dass die beiden Aspekte bei dem Design und der Verwendung der Wärmesperrbeschichtung nicht gleichzeitig berücksichtigt werden können, somit wird eine große Schwierigkeit bewirkt. Aufgrund dessen ist es sehr notwendig, den Verwendungseffekt Wärmesperrbeschichtung in Kombination mit der Wärmeisolationsleistung und dem Spannungsniveau der Wärmesperrbeschichtung umfassend zu bewerten, und es ist von großer Bedeutung für die Verwendung der Wärmesperrbeschichtung, ein Verfahren zum Bewerten des umfassenden Verwendungseffekts der Wärmesperrbeschichtung auf der Turbinenschaufel einzurichten.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung basierend auf der Wärmeisolationsleistung und dem Spannungsniveau der Wärmesperrbeschichtung zur Verfügung zu stellen.
Technische Lösungen
Um das obige Problem zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung zur Verfügung, umfassend die folgenden Schritte:

Schritt 1: Erstellen eines geometrischen Modells;
Schritt 2: Erstellen eines Berechnungsgitters in Übereinstimmung mit dem geometrischen Modell;
Schritt 3: Einstellen einer Lösungsrandbedingung und eines Materialparameters in Übereinstimmung mit dem Berechnungsgitter, um eine iterative Berechnung durchzuführen und somit eine Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel zu erhalten;
Schritt 4: Einstellen einer Lösungsrandbedingung und eines Materialparameters in Übereinstimmung mit der Verteilung des Temperaturfeldes der Berechnungsdomäne für die Wärmesperrbeschichtung und dem Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, um eine iterative Berechnung durchzuführen und somit eine Verteilung eines Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung sowie die Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten;
Schritt 5: Durchführen einer Berechnung des voreingestellten Programms in Übereinstimmung mit der Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel sowie den Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung, um einen Wärmeisolationseffekt der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten und somit einen lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und einen globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten;
Schritt 6: Bewerten des Wärmeisolationseffekts und des Spannungsniveaus der Wärmesperrbeschichtung in Übereinstimmung mit dem lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und dem globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung.

Bevorzugt wird im Schritt 1 eine Finite-Elemente-Analyse-Software verwendet, um ein geometrisches Modell für die Wärmesperrbeschichtung, ein geometrisches Modell für die Turbinenschaufel und ein geometrisches Modell für ein externes Strömungsfeld zu erstellen, wobei die Turbinenschaufel am Äußeren der Turbinenschaufel angeordnet ist und die Turbinenschaufel umhüllt, und wobei das Material des geometrischen Modells der Wärmesperrbeschichtung als Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, das Material des geometrischen Modells der Turbinenschaufel als Stahl und das Material des geometrischen Modells des externen Strömungsfeldes als Luft eingestellt wird.
Bevorzugt umfasst das Berechnungsgitter im Schritt 2 ein Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, ein Berechnungsgitter für die Turbinenschaufel und ein Berechnungsgitter für das externe Strömungsfeld, wobei das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung verfeinert wird, um einen Temperatur- und Spannungsgradienten in der Beschichtung zu erhalten, und wobei die Verfeinerung des Gitters an einer Fluid-Feststoff-Grenzfläche, an der das Berechnungsgitter mit dem Luftstrom in Berührung steht, erfolgt, um das Berechnungsgitter als ein mehrschichtiges Grenzschichtgitter zu verfeinern, wodurch der Fehler des Konvektionswärmeaustausches in der Berechnung verringert wird.
Bevorzugt werden im Schritt 3 das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, das Berechnungsgitter für die Turbinenschaufel und das Berechnungsgitter für das externe Strömungsfeld in die Finite-Elemente-Analyse-Software eingeführt, wobei die Materialparameter der Wärmesperrbeschichtung definiert werden, und wobei ein SSTk-ω-Turbulenzmodell und ein Nichtgleichgewichts-Wandnähe-Modell übernommen werden, und wobei die Lösungsrandbedingung eingestellt und eine iterative Schrittlösung durchgeführt wird, bis das Ergebnis so konvergiert, dass es kleiner als 10^-5 ist, wobei der Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel erhalten wird.
Bevorzugt umfassen die Materialparameter eine Dichte, einen Wärmeübertragungskoeffizienten, einen Viskositätskoeffizienten, eine spezifische Wärmekapazität und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten; wobei die Randbedingung Drücke und Temperaturen eines Hauptströmungseinlasses und eines Hauptströmungsauslasses, einen Druck und eine Temperatur eines Kaltlufteinlasses sowie eine gekoppelte Wärmeübertragung einer Wandfläche und eine periodische Randbedingung umfasst.
Bevorzugt wird im Schritt 4 das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung in die Finite-Elemente-Analyse-Software eingeführt, wobei das Temperaturfeld der Wärmesperrbeschichtung dem Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung durch die Interpolation zugeordnet wird und die Lösungsrandbedingung und der Materialparameter eingestellt werden, um die iterative Berechnung durchzuführen, wodurch die Verteilung des Spannungsfeldes der Turbinenschaufel mit der Wärmesperrbeschichtung sowie die Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfelds der Wärmesperrbeschichtung erhalten werden.
Bevorzugt wird im Schritt 5 der Wärmeisolationseffekt durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel ausgedrückt, wobei die Temperaturdifferenz dadurch erhalten wird, dass die Oberflächentemperaturen an entsprechenden Stellen in den Temperaturfeldern von zwei Berechnungsdomänen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel erfasst und miteinander subtrahiert werden.
Bevorzugt sind im Schritt 5 die Formeln für das voreingestellte Programm des lokalen umfassenden Bewertungsfaktors und des globalen umfassenden Bewertungsfaktors der Wärmesperrbeschichtung: $Y = \frac{(T_{n o t b e} - T_{t b c})}{T_{\infty} - T_{c}} (1 - \frac{σ}{σ_{m a x}})$
$Y_{T} = \frac{\int_{S} \frac{(T_{n o t b e} - T_{t b c})}{T_{\infty} - T_{c}} (1 - \frac{σ}{σ_{m a x}}) w d S}{S}$
wobei Y der lokale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung ist, Y_T der globale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung ist, S eine Oberfläche der Schaufel ist, w ein Gefahrenkoeffizient und ein durch einen Test bestimmter Wert der Gefährlichkeit für verschiedene Stellen ist, T_tbc eine Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel mit der Wärmesperrbeschichtung ist und T_notbc eine Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung ist, σ_max eine Materialstärke der Wärmesperrbeschichtung ist, T_∞ eine Temperatur des Gaseinlasses ist, T_c eine Kühlgastemperatur und σ eine lokale maximale Hauptspannung oder maximale Scherspannung ist.
Bevorzugt sind im Schritt 6 die Werte des lokalen umfassenden Bewertungsfaktors und des globalen umfassenden Bewertungsfaktors der Wärmesperrbeschichtung kleiner als 1; je kleiner die Werte sind, desto schlechter ist die Gesamtleistung der Wärmesperrbeschichtung; wobei ein negativer Wert bedeutet, dass die Beschichtungsspannung zu groß ist, was zum Versagen der Beschichtung führt.
Vorteilhafte Wirkungen
Im Vergleich zu dem Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung die folgenden vorteilhaften Wirkungen: ein dreidimensionales Simulationsverfahren der Wärmesperrbeschichtung für die Turbinenschaufel mit einem Gasfilmloch wird realisiert; und die Bewertungsparameter für den Verwendungseffekt der Wärmesperrbeschichtung werden erstellt, dabei wird die Wärmesperrbeschichtung in Hinsicht auf die Wärmeisolationseffizienz und das Spannungsniveau bewertet, so dass die umfassende Verwendungsleistung der Wärmesperrbeschichtung vollständiger reflektiert wird, was förderlicher für das Design und die Bewertung der Wärmesperrbeschichtung ist.
Zusammenfassend gesagt, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts der Wärmesperrbeschichtung zur Verfügung, wodurch die Kosten der Anwendung und der Optimierungskonstruktion der Wärmesperrbeschichtung stark reduziert und gute wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.
Figurenliste

1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Bewertungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein geometrisches Modell für ein externes Strömungsfeld.
3 zeigt ein geometrisches Modell, das eine Wärmesperrbeschichtung und eine Turbinenschaufel umfasst.
4 zeigt ein Wolkendiagramm von Temperaturen auf Oberflächen der Schaufel mit der Wärmesperrbeschichtung und der Schaufel ohne Wärmesperrbeschichtung.
5 zeigt ein Liniendiagramm der Wärmeisolationseffizienz der Wärmesperrbeschichtung in einer axialen Sehne.
6 zeigt ein Liniendiagramm einer maximalen Hauptspannung der Wärmesperrbeschichtung in der axialen Sehne auf einer Außenfläche der Wärmesperrbeschichtung und einer Kontaktfläche zwischen der Turbinenschaufel und der Wärmesperrbeschichtung.
7 zeigt ein Liniendiagramm eines umfassenden Bewertungsfaktors der Wärmesperrbeschichtung in der axialen Sehne.

In 2 ist 1 ein Gaseinlass, 2 ein Gasauslass und 3 ein externes Strömungsfeld, in 3 ist 4 eine Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung und 5 eine Wärmesperrbeschichtung.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNGUNG
Im Zusammenhang mit ausführlichen Ausführungsformen und Figuren wird die vorliegende Erfindung im Folgenden näher erläutert, damit das Ziel, die technischen Lösungen und die Vorteile der vorliegenden Erfindung klarer werden. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die folgende Erläuterung nur beispielhaft ist, darauf ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt. Darüber hinaus wird die Erläuterung der allgemein bekannten Struktur und Technik in der folgenden Beschreibung weggelassen, um ein unnötiges Verwechseln der Begriffe der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung folgende Schritte:
(1) In einer geometrischen Modellierungssoftware werden ein geometrisches Modell für die Wärmesperrbeschichtung, ein geometrisches Modell für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung und ein geometrisches Modell für ein externes Strömungsfeld erstellt.

1.1 In der Solidwork-Software wird das geometrische Modell für das externe Strömungsfeld gemäß 1 erstellt, als FLUID aufgezeichnet und im Format .x_t gespeichert;
1.2 In der Solidwork-Software werden das geometrische Modell für die Wärmesperrbeschichtung und das geometrische Modell für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung erstellt, wie in 3 dargestellt, wird das geometrische Modell für die Wärmesperrbeschichtung als TBC aufgezeichnet und im Format .x_t gespeichert, wobei das geometrische Modell für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung als VANE aufgezeichnet und im Format .x_t gespeichert, und wobei die Dicke der Wärmesperrbeschichtung 0,3 mm beträgt;
1.3 Das Material des geometrischen Modells der Wärmesperrbeschichtung wird als Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, das Material des geometrischen Modells der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung als Stahl und das Material des geometrischen Modells des externen Strömungsfeldes als Luft eingestellt.

(2) In Übereinstimmung mit dem im Schritt 1 erhaltenen geometrischen Modell für die Wärmesperrbeschichtung, geometrischen Modell für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung und geometrischen Modell für ein externes Strömungsfeld werden ein Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, ein Berechnungsgitter für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung und ein Berechnungsgitter für das externe Strömungsfeld erstellt;

2.1 Das geometrische Modell für die Wärmesperrbeschichtung, das geometrische Modell für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung und das geometrische Modell für ein externes Strömungsfeld werden in die ICEM-Software eingeführt, um eine Boolesche Zusammenführung durchzuführen; wobei eine Abrundungsbehandlung und eine geometrische Reparatur durchgeführt werden, so dass eine Ebene vollständig und kontinuierlich wird;
2.2 In Übereinstimmung mit der geometrischen Form und Größe wird das Gitter der Berechnungsdomäne für die Wärmesperrbeschichtung verfeinert, da die Dicke der Wärmesperrbeschichtung viel kleiner als die Dicke der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung ist, soll das Gitter der Wärmesperrbeschichtung verfeinert werden, um die Qualität des Gitters zu verbessern, wobei das Gitter an der Fluid-Feststoff-Grenzfläche in 5 Grenzschichten unterteilt wird, und wobei es sich bei der Fluid-Feststoff-Grenzfläche um eine mit dem Luftstrom in Berührung stehende Außenwandfläche der Wärmesperrbeschichtung handelt.
2.3 Die jeweiligen Berechnungsgitter werden entsprechend bezeichnet, wobei das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung als TBC aufgezeichnet, und wobei das geometrische Modell für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung als VANE aufgezeichnet, und wobei das geometrische Modell für das externe Strömungsfeld als FLUID aufgezeichnet, und wobei der Auslass und der Einlass jeder Grenze des Berechnungsgitters, die Schaufeloberfläche und die periodische Grenzflächen jeweils bezeichnet und als Gitter in dem Format .cfx5 hergeleitet werden, und wobei die Kontaktfläche der Turbinenschaufel zu der Wärmesperrbeschichtung als i-tbc und die Außenfläche der Wärmesperrbeschichtung als s-tbc bezeichnet wird.

(3) In Übereinstimmung mit dem Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, dem Berechnungsgitter für die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung und dem Berechnungsgitter für das externe Strömungsfeld werden die Materialparameter der Wärmesperrbeschichtung definiert, wobei eine Lösungsrandbedingung eingestellt und eine iterative Berechnung durchgeführt wird, um eine Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung zu erhalten;

3.1 Die drei im Schritt 2 erhaltenen Gittermodelle im Format .cfx5 werden in die Software Ansys CFX eingeführt und die Gitter werden überprüft;
3.2 Das Material der Wärmesperrbeschichtung wird als Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid definiert und seine Parameter umfasst eine Dichte, einen Wärmeübertragungskoeffizienten, einen Viskositätskoeffizienten, eine spezifische Wärmekapazität und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie in 1 dargestellt; wobei das Material des geometrischen Modells der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung als Stahl und das Material des geometrischen Modells des externen Strömungsfeldes als Luft eingestellt wird. Dabei werden ein Turbulenzmodell für die Scherspannungsübertragung und ein Nichtgleichgewichts-Wandnähe-Modell übernommen, wobei die Randbedingung derart definiert wird, dass sie Drücke und Temperaturen eines Hauptströmungseinlasses und eines Hauptströmungsauslasses, einen Druck und eine Temperatur eines Kaltlufteinlasses sowie eine gekoppelte Wärmeübertragung einer Wandfläche und eine periodische Randbedingung umfasst, wie in Tabelle 2 dargestellt. Dabei werden 1200 iterative Schritte zum Lösen eingestellt, ein stationäres Ergebnis wird erhalten, nachdem ein Ergebnis konvergiert, bis es kleiner als 10^-5 ist.

Material	Elastizitäts modul (GPa)	Poisson-Verhältnis	Dichte (kg/m³)	Wämeübertragungskoeffizient (W/cmc·K)	Spezifische Wärmekapazität (J/Kg·K)	Wämeausdehnungskoeffizient (10^–6/°C)
TBC	22	0,12	4930	1,02x10^–2	418	12

Grenze	Randbedingung
Hauptstromeinlass	Gesamttemperatur = 709 K, Gesamtdruck = 344740 Pa, Turbulenzintensität = 5 %
Hauptstromeinlass	Statischer Druck = 206431 Pa
Einlass jeder vorderen und hinteren Kühlkammer	Gesamttemperatur = 339 K, Gesamtdruck = 350950 Pa, Turbulenzintensität = 5 %
Periodische Grenze	Periodische Randbedingung

3.3 Die Berechnungsergebnisse im vorherigen Schritt werden analysiert, nachdem die Konvergenz bestätigt wurde, wird die Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung hergeleitet und als t_tbc.csv-Datei und t_vane.csv-Datei gespeichert.

(4) Einstellen einer Lösungsrandbedingung und eines Materialparameters in Übereinstimmung mit der Verteilung des Temperaturfeldes der Berechnungsdomäne für die Wärmesperrbeschichtung und dem Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, um eine iterative Berechnung durchzuführen und somit eine Verteilung eines Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung sowie die Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten;

4.1 Das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung wird in die Finite-Elemente-Analysesoftware Ansys eingeführt, wobei das im vorherigen Schritt erhaltene Temperaturfeld der Wärmesperrbeschichtung durch die Interpolation in das Gitter eingeführt wird;
4.2 Ein lineares elastisches Lösungsmodell wird eingestellt, wobei die thermische Spannung berücksichtigt wird; wobei es definiert wird, dass die Materialparameter die Dichte, den Elastizitätsmodul, das Poisson-Verhältnis, den Wärmeübertragungskoeffizienten und die spezifische Wärmekapazität umfassen; und wobei die Randbedingung wird für die Lösungsberechnung eingestellt wird;
4.3 Die Berechnungsergebnisse im vorherigen Schritt werden analysiert, nachdem die Konvergenz bestätigt wurde, werden die maximale Hauptspannung und die maximale Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung hergeleitet, wobei die Daten als eine Stress_principal.csv-Datei und eine Stress shear.csv-Datei gespeichert werden.

(5) Durchführen einer Berechnung des voreingestellten Programms in Übereinstimmung mit der Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung sowie den Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung, um eine Wärmeisolationseffizienz der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten und somit einen lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und einen globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten.

5.1 Die Oberflächentemperaturen an entsprechenden Stellen in den Temperaturfeldern von zwei Berechnungsdomänen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung werden extrahiert und subtrahiert, um eine Wärmeisolationsleistung der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten;
5.2 Die Daten der Stress_principal.csv-Datei und der Stress shear.csv-Datei werden extrahiert, um die maximale Hauptspannung und die maximale Scherspannung an der Grenzfläche der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten;
5.3 Im Folgenden wird Y als Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung festgelegt; wobei die Wärmeisolationseffizienz und die maximale Hauptspannung der Wärmesperrbeschichtung eingegeben werden, und wobei ein selbstprogrammiertes Python-Programm angewendet wird, um den lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und den globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung zu berechnen, und wobei die Berechnungsformeln wie folgt sind: $Y = \frac{(T_{n o t b e} - T_{t b c})}{T_{\infty} - T_{c}} (1 - \frac{σ}{σ_{m a x}})$
$Y_{T} = \frac{\int_{S} \frac{(T_{n o t b e} - T_{t b c})}{T_{\infty} - T_{c}} (1 - \frac{σ}{σ_{m a x}}) w d S}{S}$
wobei Y der lokale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung ist, Y_T : der globale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung ist, S eine Oberfläche der Schaufel ist, w ein Gefahrenkoeffizient und ein durch einen Test bestimmter Wert der Gefährlichkeit für verschiedene Stellen ist, unter Berücksichtigung einer Krümmung der Vorderkante und der Hinterkante der Schaufel und einer starken Erosion wird hier eine Funktion gemäß 4 experimentell ausgewählt. Dabei ist T_tbc · eine Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel mit der Wärmesperrbeschichtung und T_notbc eine Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung, σ_max eine Materialstärke der Wärmesperrbeschichtung, T_∞ eine Temperatur des Gaseinlasses, T_c eine Kühlgastemperatur und σ eine lokale maximale Hauptspannung und maximale Scherspannung.

Der erhaltene lokale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung und globale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung spiegeln gleichzeitig den Wärmeisolationseffekt und das Spannungsniveau der Wärmesperrbeschichtung wider, dabei ist es für das Design und die Optimierung der Wärmesperrbeschichtung von großer Bedeutung, mit einem Wert des umfassenden Bewertungsfaktors die Gesamtleistung der Wärmesperrbeschichtung zu bewerten. Der erhaltene Wert ist kleiner als 1. Je größer der Wert ist, desto besser ist der Wärmeisolationseffekt; je niedriger das Spannungsniveau ist, desto höher ist die umfassende Bewertung; je kleiner der Wert ist, desto schlechter ist die umfassende Bewertung; wenn der Wert negativ ist, bedeutet es, dass sich die Beschichtung teilweise ablösen wird.
Der Wert des Gefahrenkoeffizienten w in der Formel wird durch die folgende Formel erhalten: $w (x_{s}, z) = 1 - b [| sin (π z) cos (2 π x_{s}) | + sin (π z) cos (2 π x_{s})]$
In der Formel ist b ein Risikofaktor, z ist eine Schaufelhöhe und x_s ist eine Sehnenlängenposition der Schaufel und wird durch einen Versuch bestimmt. Da die Gefahren an verschiedenen Orten in der Technik unterschiedlich sind, ist es erforderlich, eine Grundbewertung Y mit einem Gewicht w zu multiplizieren, um einen Gesamtbewertungsfaktor zu erhalten, wobei w gemäß den technischen Erfahrungen unterschiedliche Werte annehmen soll, und wobei w bei den Schaufeln in unterschiedlichen Arbeitsbedingungen unterschiedlich ist, und der Wert von w in der Formel 3 wird experimentell gemäß einem Versuch angegeben.
4 zeigt ein Wolkendiagramm von Temperaturen auf Oberflächen der Schaufel mit der Wärmesperrbeschichtung und der Schaufel ohne Wärmesperrbeschichtung, durch einen Vergleich der Figen 4 (a) und 4 (b) sowie 4 (c) und 4 (d) kann es festgestellt werden, dass die Wärmesperrbeschichtung die Temperatur der Schaufel und den Temperaturgradienten der Schaufel signifikant verringert;
5 zeigt ein Liniendiagramm der Wärmeisolationseffizienz der Wärmesperrbeschichtung in einer axialen Sehne, in 5 zeigt die Abszisse (von -1 bis 1) relative Positionen in Sehnenrichtung von der Hinterkante, der Druckfläche, der Vorderkante, der Saugfläche zur Hinterkante an. Es ist ersichtlich, dass die Wärmeisolationseffizienz der Wärmesperrbeschichtung an der Vorderkante und der Druckfläche relativ geringer ist und etwa 20 K beträgt; und die Wärmeisolationseffizienz an der Hinterkante beträgt grundsätzlich höher als 60 K.
6 zeigt ein Liniendiagramm einer maximalen Hauptspannung der Wärmesperrbeschichtung in der axialen Sehne auf einer Außenfläche der Wärmesperrbeschichtung und einer Kontaktfläche zwischen der Turbinenschaufel und der Wärmesperrbeschichtung, es ist ersichtlich, dass die maximale Hauptspannung der Wärmesperrbeschichtung auf der Kontaktfläche zwischen der Turbinenschaufel und der Wärmesperrbeschichtung in der axialen Sehne größer als die maximale Hauptspannung der Wärmesperrbeschichtung auf der Außenfläche der Wärmesperrbeschichtung in der axialen Sehne; wobei die Spannung am Gasfilmloch höher ist.
7 zeigt ein Liniendiagramm eines umfassenden Bewertungsfaktors der Wärmesperrbeschichtung in der axialen Sehne, im Zusammenhang mit der Formel (1) ist aus der Figur ersichtlich, a. dass Y der Wärmesperrbeschichtung an der Vorderkante und in der Nähe von der Vorderkante kleiner ist, was durch eine schlechtere Wärmeisolationsleistung und eine höhere thermische Spannung der Wärmesperrbeschichtung an der Vorderkante verursacht wird, deshalb ist die Gesamtleistung auch schlecht; b. die umfassende Bewertung an der Hinterkante gut ist, da die Wärmesperrbeschichtung eine gute Wärmeisolationseffizienz und eine geringere Spannung an der Hinterkante aufweist; c. die umfassende Bewertung in der Mitte der Druckfläche nicht am besten ist, da das Spannungsniveau höher ist, obwohl die Wärmeisolationseffizienz am höchsten ist; es kann auch erhalten werden, dass bei b = 0,5 und Yt = 0,01684 mit dem Parameter die Gesamtverwendungseffekte verschiedener Wärmesperrbeschichtungen miteinander verglichen werden können, was das optimale Design der Wärmesperrbeschichtung in der Technik erleichtert. Daher kann bei dem Bewertungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bewertungswert der umfassenden Leistung der Wärmesperrbeschichtung erhalten werden, während die Wärmeisolationsleistung und das Spannungsniveau der Wärmesperrbeschichtung berücksichtigt werden, was von großer Bedeutung für das Design und die Optimierung der Wärmesperrbeschichtung ist.
In dem vorliegenden Beispiel werden die Wärmeisolationsleistung und die thermische Spannung der Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung gelöst, so dass die umfassende Leistung der Wärmesperrbeschichtung bewertet werden kann, während die Wärmeisolationsleistung und das Spannungsniveau der Wärmesperrbeschichtung berücksichtigt werden. Ein tatsächlicher Arbeitszustand eines Turbinentriebwerks ist viel komplexer als dieser in der Beschreibung. Es ist von großer Bedeutung für das Design und die Optimierung der Wärmesperrbeschichtung in der Technik, mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Wärmesperrbeschichtung in einer komplexeren Umgebung zu simulieren und zu bewerten.

Claims

Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Schritt 1: Erstellen eines geometrischen Modells; Schritt 2: Erstellen eines Berechnungsgitters in Übereinstimmung mit dem geometrischen Modell; Schritt 3: Einstellen einer Lösungsrandbedingung und eines Materialparameters in Übereinstimmung mit dem Berechnungsgitter, um eine iterative Berechnung durchzuführen und somit eine Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel zu erhalten; Schritt 4: Einstellen einer Lösungsrandbedingung und eines Materialparameters in Übereinstimmung mit der Verteilung des Temperaturfeldes der Berechnungsdomäne für die Wärmesperrbeschichtung und dem Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, um eine iterative Berechnung durchzuführen und somit eine Verteilung eines Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung sowie die Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten; Schritt 5: Durchführen einer Berechnung des voreingestellten Programms in Übereinstimmung mit der Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel sowie den Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfeldes der Wärmesperrbeschichtung, um einen Wärmeisolationseffekt der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten und somit einen lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und einen globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung zu erhalten; Schritt 6: Bewerten des Wärmeisolationseffekts und des Spannungsniveaus der Wärmesperrbeschichtung in Übereinstimmung mit dem lokalen umfassenden Bewertungsfaktor und dem globalen umfassenden Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1 eine Finite-Elemente-Analyse-Software verwendet wird, um ein geometrisches Modell für die Wärmesperrbeschichtung, ein geometrisches Modell für die Turbinenschaufel und ein geometrisches Modell für ein externes Strömungsfeld zu erstellen, wobei die Turbinenschaufel am Äußeren der Turbinenschaufel angeordnet ist und die Turbinenschaufel umhüllt, und wobei das Material des geometrischen Modells der Wärmesperrbeschichtung als Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid, das Material des geometrischen Modells der Turbinenschaufel als Stahl und das Material des geometrischen Modells des externen Strömungsfeldes als Luft eingestellt wird.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnungsgitter im Schritt 2 ein Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, ein Berechnungsgitter für die Turbinenschaufel und ein Berechnungsgitter für das externe Strömungsfeld umfasst, wobei das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung verfeinert wird, um einen Temperatur- und Spannungsgradienten in der Beschichtung zu erhalten, und wobei die Verfeinerung des Gitters an einer Fluid-Feststoff-Grenzfläche, an der das Berechnungsgitter mit dem Luftstrom in Berührung steht, erfolgt, um das Berechnungsgitter als ein mehrschichtiges Grenzschichtgitter zu verfeinern, wodurch der Fehler des Konvektionswärmeaustausches in der Berechnung verringert wird.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 3 das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung, das Berechnungsgitter für die Turbinenschaufel und das Berechnungsgitter für das externe Strömungsfeld in die Finite-Elemente-Analyse-Software eingeführt werden, wobei die Materialparameter der Wärmesperrbeschichtung definiert werden, und wobei ein SSTk-co-Turbulenzmodell und ein Nichtgleichgewichts-Wandnähe-Modell übernommen werden, und wobei die Lösungsrandbedingung eingestellt und eine iterative Schrittlösung durchgeführt wird, bis das Ergebnis so konvergiert, dass es kleiner als 10^-5 ist, um die Verteilung der Temperaturfelder von zwei Berechnungsdomänen für die Wärmesperrbeschichtung und die Turbinenschaufel zu erhalten.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialparameter eine Dichte, einen Wärmeübertragungskoeffizienten, einen Viskositätskoeffizienten, eine spezifische Wärmekapazität und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen; wobei die Randbedingung Drücke und Temperaturen eines Hauptströmungseinlasses und eines Hauptströmungsauslasses, einen Druck und eine Temperatur eines Kaltlufteinlasses sowie eine gekoppelte Wärmeübertragung einer Wandfläche und eine periodische Randbedingung umfasst.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 4 das Berechnungsgitter für die Wärmesperrbeschichtung in die Finite-Elemente-Analyse-Software eingeführt wird, wobei die Temperaturfelder der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel dem Berechnungsgitter der beiden Berechnungsdomänen durch die Interpolation zugeordnet werden und die Lösungsrandbedingung und der Materialparameter eingestellt werden, um die iterative Berechnung durchzuführen, wodurch die Verteilung des Spannungsfeldes der Turbinenschaufel mit der Wärmesperrbeschichtung sowie die Daten der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherspannung des Spannungsfelds der Wärmesperrbeschichtung erhalten werden.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 5 der Wärmeisolationseffekt durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel ausgedrückt wird, wobei die Temperaturdifferenz dadurch erhalten wird, dass die lokalen Oberflächentemperaturen in den Temperaturfeldern von zwei Berechnungsdomänen der Wärmesperrbeschichtung und der Turbinenschaufel erfasst und miteinander subtrahiert werden.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 5 die Formeln für das voreingestellte rechnen mit Programm des lokalen umfassenden Bewertungsfaktors und des globalen umfassenden Bewertungsfaktors der Wärmesperrbeschichtung sind: $Y = \frac{(T_{n o t b e} - T_{t b c})}{T_{\infty} - T_{c}} (1 - \frac{σ}{σ_{m a x}})$
$Y_{T} = \frac{\int_{S} \frac{(T_{n o t b e} - T_{t b c})}{T_{\infty} - T_{c}} (1 - \frac{σ}{σ_{m a x}}) w d S}{S}$
wobei Y der lokale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung ist, Y_T der globale umfassende Bewertungsfaktor der Wärmesperrbeschichtung ist, S eine Oberfläche der Schaufel ist, w ein Gefahrenkoeffizient und ein durch einen Test bestimmter Wert der Gefährlichkeit für verschiedene Stellen ist, T_tbc eine Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel mit der Wärmesperrbeschichtung und T_notbc eine Oberflächentemperatur der Turbinenschaufel ohne Wärmesperrbeschichtung ist, σ_max: eine Materialstärke der Wärmesperrbeschichtung ist, T_∞ eine Temperatur des Gaseinlasses ist, T_c eine Kühlgastemperatur ist und σ eine lokale maximale Hauptspannung und maximale Scherspannung ist.
Verfahren zum Bewerten des Verwendungseffekts einer Turbinenschaufel-Wärmesperrbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 6 ist der Wert des lokalen umfassenden Bewertungsfaktors der Wärmesperrbeschichtung kleiner als 1 ist; je kleiner der Wert ist, desto schlechter ist die Gesamtleistung der Wärmesperrbeschichtung; wobei ein negativer Wert bedeutet, dass die Beschichtungsspannung zu groß ist, was zum Versagen der Beschichtung führt.