热障涂层对涡轮动叶温度及应力的影响研究

为研究热障涂层对于涡轮叶片服役温度和应力的影响,以燃气轮机第一级涡轮动叶为研究对象,基于流热固耦合的数值仿真方法,分析了有无热障涂层及不同热障涂层厚度下,叶片的流动传热特征以及叶身应力响应变化规律,并将温度和应力分析结果与真实服役叶片热障涂层剥落和基体裂纹萌生失效等故障情况进行对比分析。结果表明：数值仿真方法可以揭示涡轮叶片实际运行中的温度和应力分布特征;热障涂层可有效降低叶片基体的平均温度,但是对于局部高温区,若没有良好的冷却设计配合,热障涂层的保护效果有限;热障涂层厚度变化未改变叶片高应力区位置,随着厚度增加,叶片危险部位的应力逐渐下降;对于本文的研究对象,与无热障涂层情况相比,0.4mm热障涂层可使得叶片高应力区域最大等效应力下降30～60MPa。     

航空发动机热障涂层导电性能研究

传统的航空发动机热障涂层主要关注点是其热绝缘特性及可靠性的研究,并且已经形成了一整套基于YSZ的热障涂层技术,但是缺乏热障涂层高温导电性能的研究。另一方面,基于对航空发动机智能化的要求,需要在涡轮叶片表面制造电学器件(传感器),所以有必要对航空发动机热障涂层的电学性能进行相关的研究。研究了YSZ热障涂层在高温下的电学性能,提出了能提高其高温电绝缘性能的技术方法:可以对YSZ热障涂层喷涂配方进行改良。试验证明,在涂层中加入一定含量的氧化铝可以把热障涂层的高温电绝缘性能提高4个量级,可以满足在涡轮叶片热障涂层之上制作微传感器的实际工程需要。此外,利用计算机仿真技术对高温环境下的热障涂层复合结构进行了电学性能的综合分析,分析的结果证明,在传感器/热障涂层/涡轮叶片基底的复合结构当中,热障涂层表面的传感器电流的高温特性是各层材料的导电性、传感器与热障涂层的结构与尺寸的综合函数。     

航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题

热障涂层是提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术。从热障涂层的粘结层与涡轮叶片高温合金基体的匹配性、CMAS(一种基于CaO、MgO、Al2O3和Si O2等多种氧化物构成的环境沉积物)形成及其对热障涂层的损伤和相应的防护、叶片热障涂层厚度分布的过程控制、热障涂层制备过程中气膜孔缩孔、热障涂层的在线无损检测及涂层返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面论述了航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用技术和需要解决的实际问题。     

涡轮叶片多层结构热障涂层隔热效果分析

为了获得叶栅流场作用下涡轮叶片热障涂层隔热性能,建立了带多层结构热障涂层的高压涡轮导叶模型,采用热流耦合方法计算热障涂层系统温度场,对叶片不同部位的涂层隔热效果,以及厚度和主流进口温度对隔热效果的影响进行研究。结果表明:涂层实际隔热效果在叶片吸力面最好,在尾部最差,在压力面沿顺流方向渐好。虽然涂层表面温度不同,但涂层内部的温降幅度与涂层表面温度的相关性不大,在吸力面涂层内部的温度降幅斜率最大,在尾部最小。隔热面层厚度每增加0.1 mm使合金平均温度约降低30℃。涂层隔热效果对主流进口温度较敏感,主流进口温度的变化与基底合金温降指标变化呈线性关系。     

“热障涂层”专题序言

正热障涂层,简称TBCs,是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式涂覆在合金表面、以降低高温服役环境下合金表面温度的一种热防护技术。热障涂层应用于燃气发动机涡轮叶片,可以显著提高发动机的工作效率和推力,同时可降低叶片合金的工作温度,从而大幅度提高发动机的寿命和可靠性,是先进航空发动机不可缺少的一项关键技术。有关热障涂层材料、制备科学以及表征等方面的研究一直是国际上表面与界面科学领域的研究热点,受到材料、物理、化学、力学、传热学等多领域科学家的高度关注。自20世纪90年代开始,美     

带热障涂层单晶合金叶片模拟热冲击服役环境试验研究

对带热障涂层的单晶涡轮叶片进行模拟服役环境热冲击循环试验,并采用光学显微镜、扫描电镜对试验后的热障涂层进行分析。结果表明:带热障涂层单晶涡轮叶片经过42次热冲击循环后,叶片前缘气膜孔附近的涂层首先出现脱落;经过71次热冲击循环后,叶片前缘附近涂层脱落的面积明显增大。微观结构分析表明,热冲击环境下叶片前缘位置热生长氧化物(TGO)厚度比其他涂层未脱落位置的厚1.0～2.0μm。金属基底与粘结层之间有明显的扩散现象,其中Al、Cr元素从含量较高的粘结层向基底扩散,在叶片前缘扩散深度约为5.0μm,在其他位置扩散较少。叶片前缘位置TGO的生长速度明显快于其他位置,这导致前缘位置热障涂层承受的循环热应力更大。气膜孔边热应力较大是涂层脱落的主要原因,孔边涂层微观结构不规则加速了热障涂层的脱落掉块。单晶合金叶片热障涂层在模拟热冲击服役环境中失效剥落的过程,对研究其损伤评价和寿命评估具有重要作用。     

涡轮叶片热障涂层三维成像研究进展

热障涂层是涡轮叶片高温防护关键技术,具有典型的层状结构特征,且热障涂层服役过程中高温氧化产生热生长氧化物结构,迫切需要利用三维成像方法无损探知热障涂层内部结构。由于计算机断层成像技术能提供三维立体图像,准确再现物体内部三维结构,是热障涂层层状结构最佳分析手段之一,在热障涂层喷涂质量评价和高温氧化监测方面具有很好的前景。重点介绍了国内外在热障涂层微米CT成像、同步辐射CT成像、聚焦离子束–扫描电镜(FIB–SEM)三维成像及热应力有限元仿真方面的进展。最后指出了热障涂层无损检测可能的发展方向。     

不同湍流度下吹风比对涡轮导向叶片吸力面气膜冷却的影响

采用基于窄带热色液晶测量的瞬态全表面传热测量技术,研究了不同主流湍流度下的吹风比对涡轮导向叶片气膜冷却的影响,获得了叶片吸力面侧圆柱形孔排气膜冷却效率和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:由于气膜射流与主流掺混的相互作用会随着主流湍流度的变化而变化,因此在主流湍流度不同时,吹风比对气膜冷却效率和表面传热系数比的影响规律会有所不同;主流湍流度较小时,吹风比的增大会显著减弱气膜覆盖效果与气膜冷却效率,但是在大湍流度下,吹风比的影响较弱,尤其是在远下游区域;相同的主流湍流度条件下,吹风比的增大会使得表面传热系数提高,但是在大湍流度下,换热增强效果较弱;相同吹风比下,高湍流度下的表面传热系数比相对较小。      

热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用

本文分析了热障涂层(TBCs)技术应用于发动机涡轮叶片上的必要性,介绍了热障涂层在国外发动机涡轮叶片上的应用情况及国内的发展状况,同时还比较了等离子喷涂和电子束物理气相沉积两种主要制备方法的优缺点,最后展望了热障涂层的应用前景.     

热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用

热障涂层是提高航空发动机涡轮叶片工作温度的有效途径之一。根据某型发动机高压涡轮工作叶片、导向器叶片的结构特点和各种涂层制备技术的优缺点,制定了工作叶片和导向叶片表面底层、面层和内腔的涂层制备方案。对工作叶片、导向器叶片材料试样表面涂层的性能开展一系列测试试验。结果表明:涂层性能满足要求,涂层制备方案合理可行;对工作叶片、导向器叶片内表面涂层的厚度,气膜孔径的影响以及质量增加情况进行测量分析,结果均满足设计要求,表明涂层制备工艺合理可行。     

Effect of Sintering on Thermal Conductivity and Thermal Barrier Effects of Thermal Barrier Coatings

Thermal barrier coatings (TBCs) are mostly applied to hot components of advanced turbine engines to insulate the components from hot gas. The effect of sintering on thermal conductivity and thermal barrier effects of conventional plasma sprayed and nanostructured yttria stabilized zirconia (YSZ) thermal barrier coatings (TBCs) are investigated. Remarkable increase in thermal conductivity occurs to both typical coatings after heat treatment. The change of porosity is just the opposite. The grain size of the nanostructured zirconia coating increases more drastically with annealing time compared to that of the conventional plasma sprayed coating, which indicates that coating sintering makes more contributions to the thermal conductivity of the nanostructured coating than that of the conventional coating. Thermal barrier effect tests using temperature difference technique are performed on both coatings. The thermal barrier effects decrease with the increase of thermal conductivity after heat treatment and the decline seems more drastic in low thermal conductivity range. The decline in thermal barrier effects is about 80 °C for nanostructured coating after 100 h heat treatment, while the conventional coating reduces by less than 60 °C compared to the as-sprayed coating.     

涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究

高温环境中的金属部件, 通常采用表面涂层技术以降低金属材料的温度和热力梯度。氧化锆、陶瓷等涂层材料对热辐射是半透明的, 因此, 高温下涡轮发动机的热分析需要考虑涂层内辐射换热的影响。本文考虑了各种界面辐射特性: 不透明界面和半透明界面, 镜反射和漫反射。采用光线踪迹 /节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数。结合控制容积法数值模拟了涡轮叶片和燃烧室衬垫涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。      

陶瓷热障涂层的隔热效果研究

通过理论公式推导和试验测量,得出 :热障涂层的隔热效果与环境温差成正比,但同等环境温差下涂层在更高的温度工作时,由于涂层材料导热系数的增大,其隔热效果减小。涂层厚度与隔热效果在实际涂层应用的厚度范围内也接近线性关系。随着发动机叶片冷却气流换热系数增大,热障涂层的隔热效果也越大,但两者并不是线性关系。涂层隔热效果随导热系数的减小而增大,并且在低导热系数区,热障涂层隔热效果对导热系数的变化更敏感。随着涂层的厚度增大,导热系数的改变所具有的增加涂层隔热效果的作用越大;但涂层越厚,单位厚度涂层导热系数改变所取得的隔热效果越低     

接触热阻对疏导式热防护结构防热效果的影响

采用内置高温热管的疏导式热防护结构是一种新型高效的热防护方式,热管与高温复合材料之间的接触热阻(TCR)对防热效果有重大的影响。首先给出了一种疏导式热防护结构的计算模型,进而采用间接耦合的方法建立了由接触热阻引起的热力耦合问题的计算格式,在此基础上对不同预留间隙条件下的热防护结构进行了热力耦合分析,重点考察了接触热阻对其防热效果的影响。研究结果表明,采用预留装配间隙的方法可以有效降低结构的应力水平,但同时使得界面接触热阻增加,从而使得结构驻点温度升高,因此在采用预留间隙设计时必须在考虑界面接触热阻的条件下从结构强度和温度两方面对结构进行安全性评估。     

具有热障涂层的导向叶片耦合数值研究

利用气固耦合换热方法，对具有热障涂层（TBC）的、高度一体化的一级透平导向叶片的流动和换热特性进行了数值研究。结果表明:在接近真实透平高温高压运行的环境下，TBC对于叶栅通道的气动特性影响可以忽略不计；在冷气流量被减少的情况下，TBC在叶片前缘依然可以明显降低叶片金属表面温度和传热系数；但是，随着冷气流量的减少，TBC的作用在压力面尾缘急剧下降，在吸力面尾缘缓慢下降。对3个高度截面的平均金属温度定量比较得出:在同等冷却效率的条件下，厚度为0.15mm的TBC可以节约20%~30%的冷气流量。      

发动机高温结构隔热涂层的力学特性

介绍了发动机涡轮导向叶片隔热层的力学特性;涂层材料的物理性能以及基体材料在各种温度条件下与涂层的匹配;涂层在抗热震性方面的能力;涂层与基体材料组合结构的寿命失效模型,试验结果证明,隔热涂层对叶片具有良好的保护作用,对提高叶片工作温度和使用寿命很有好处。     

等离子涂层涡轮导向叶片热疲劳寿命预测研究

针对等离子涂层涡轮导向叶片材料的变形特点,引入了粘塑性本构模型.进行了涂层高温氧化实验、带涂层构件热疲劳实验及有限元模拟研究.基于研究结果,建立了可以体现氧化损伤与热疲劳损伤耦合效应的寿命预测模型.计算分析了带涂层涡轮导向叶片的稳态温度场、涂层隔热效果和基于宏观尺度的应力应变场,研究了宏、细观有限元计算结果间的转换关系,提出了等效系数的方法,对涡轮导向叶片表面涂层的热疲劳寿命进行了预测.寿命预测结果合理,方法可行.      

液体火箭发动机不同室压下冷却方案适用范围

为了精准评估不同冷却方案对高压液氧烃火箭发动机推力室传热特性的影响,建立了一套再生通道-液膜屏蔽-隔热镀层-辐射换热的整机模型,采用Ievlev半经验模型计算燃气侧壁面的对流换热过程,引入Shruvik安全裕度评估准则,计算推力室径向的分区温度和热流密度。基于某型大推力液氧煤油火箭发动机,研究了不同冷却结构组合的换热能力上限,分析了不同推力室压力对冷却设计方案的影响。结果表明:推力室压力在12 MPa及以下时,可主要依靠再生冷却技术满足冷却需求;在16 MPa及以下时需要配合内冷却环带满足冷却需求;在18 MPa及以下时需进一步设置隔热镀层提高热防护能力;室压在20 MPa甚至更高时,必须采用其他强化换热措施。      

基于MDO体系的涡轮叶片热-结构耦合分析

在涡轮叶片参数化建模和气动分析基础上,开发了三维坐标插值程序,实现了学科间载荷信息传递;基于经验准则公式,开发了换热系数计算程序;在研究ANSYS软件参数化设计语言的基础上,利用插值及换热程序输出APDL参数化加载宏文件,实现了边界条件的精确加载;基于ANSYS软件APDL命令流,设计了涡轮叶片热分析模块及热-结构耦合分析模块,为建立涡轮叶片MDO体系奠定了基础。     

某涡轮叶片热障涂层的寿命预测方法

基于NASA发展的CoatLife软件中推荐的应力 寿命建模方法,研究了某涡轮叶片热障涂层寿命预测方法。通过在寿命模型中引入氧化增质量,并考虑氧化动力学,实现了寿命模型与高温氧化效应的关联。由于寿命模型中的疲劳强度系数是时间和半径的函数,从而可以应用于实际结构中的不同几何形状,并考虑了时间相关的退化效应。计算结果表明,随着最高温度或疲劳强度系数的增加,涂层的循环寿命和时间寿命均会减少。通过对某涡轮叶片在设计温度场下的涂层寿命预测结果表明,循环时间为1h条件下叶片前缘1/2叶高处涂层剥落寿命大约336 h,与实际叶片涂层失效在300~400h之间吻合。