一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法及装置

技术领域

本发明涉及高性能航空发动机中，隔热防护涂层系统的技术领域，具体涉及一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法及装置。

背景技术

热障涂层(thermal barrier coatings,简称TBCs)是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面。热障涂层对于基底材料起到隔热作用，其可降低基底温度，使得发动机涡轮叶片能在高温下运行，具有熔点高、热传导率低、耐腐蚀性、抗热震的特点。热障涂层被认为是目前大幅度提升涡轮叶片服役温度最切实可行的办法。此外，热障涂层也被认为是提高下一代的陶瓷基复合材料基底(CMCs)服役温度和可靠性的必要技术。

隔热效果的定量评价是热障涂层应用以及发动机涡轮叶片设计的必然需求。热障涂层主要应用在带有气膜冷却、内部冷却结构的复杂叶片上，其隔热性能复杂多变，理论和数值模拟难以准确描述复杂的流动和传热过程，导致在热障涂层隔热效果理论研究上往往缺少可信的数据支撑。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法及装置以解决。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法，包括：

根据真实涡轮叶片参数构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件；

将所述带涂层涡轮叶片模拟件和所述无涂层涡轮叶片模拟件在相同的模拟真实服役条件下进行温度测试；

基于温度场测试结果计算真实环境下所述热障涂层的隔热温度。

进一步地，所述根据真实涡轮叶片参数成构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件包括：

根据真实涡轮叶片材料在真实服役过程的毕渥数Bi选择带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在模拟环境的材料；

根据所述真实涡轮叶片的叶片中弧线位置关系、攻角大小、叶片尺寸及前缘与入口距离的成比例，构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件。

进一步地，所述将所述带涂层涡轮叶片模拟件和所述无涂层涡轮叶片模拟件在相同真实服役条件下进行温度测试具体为：

将所述带涂层涡轮叶片模拟件和所述无涂层涡轮叶片模拟件在相同环境压力系数、相同的雷诺数、相同的普朗特数和相同的Bi数条件下进行温度测试。

进一步地，所述温度测试为薄膜热电偶温度测试、红外热成像温度测试及磷光温度测试中的一种或多种组合。

进一步地，基于温度测试结果计算真实环境下所述热障涂层的隔热温度包括：通过下述公式得到模拟条件下的所述热障涂层的隔热效率，

其中，Δφ为模拟条件下热障涂层的隔热效率，T

ΔT＝Δφ·(T

其中，ΔT为真实条件下热障涂层的隔热温度。

进一步地，所述方法还包括：

根据热障涂层材料影响因素和环境影响因素，并基于π定理无量纲化，得到无量纲化影响因素；

基于所述无量纲化影响因素，计算不同涂层厚度和不同热导率但相同热障涂层的毕渥数条件下热障涂层的隔热温度。。

进一步地，所述无量纲化影响因素表达式为：

Δφ＝φ′-φ＝f(Bi,Bi

其中，

其中，T

根据本发明的另一个方面，提供一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测装置，包括：

模拟件构建模块，用于根据真实涡轮叶片参数构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件；

温度测试模块，用于将所述带涂层涡轮叶片模拟件和所述无涂层涡轮叶片模拟件在相同真实服役条件下进行温度测试；

隔热温度计算模块，用于基于温度场测试结果计算真实环境下所述热障涂层的隔热温度。

进一步地，所述模拟件构建模块包括：

材料选择单元，用于根据真实涡轮叶片材料在真实服役过程的毕渥数Bi选择带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在模拟环境的材料；

构建单元，用于根据所述真实涡轮叶片的叶片中弧线位置关系、攻角大小、叶片尺寸及前缘与入口距离的成比例，构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件。

进一步地，所述温度测试模块具体用于将所述带涂层涡轮叶片模拟件和所述无涂层涡轮叶片模拟件在相同环境压力系数、相同的雷诺数、相同的普朗特数和相同的Bi数条件下进行温度测试。

进一步地，所述温度测试为薄膜热电偶温度测试、红外热成像温度测试及磷光温度测试中的一种或多种组合。

进一步地，所述隔热温度计算模块通过下述公式得到模拟条件下的所述热障涂层的隔热效率，

其中，Δφ为模拟条件下热障涂层的隔热效率，T

ΔT＝Δφ·(T

其中，ΔT为真实条件下热障涂层的隔热温度。

进一步地，所述装置还包括：

模型构建模块，用于根据热障涂层材料影响因素和环境影响因素，并基于π定理无量纲化，得到无量纲化影响因素；

隔热温度计算模块，还用于基于所述无量纲化影响因素，计算不同涂层厚度和不同热导率但相同热障涂层的毕渥数条件下热障涂层的隔热温度。

进一步地，所述无量纲化影响因素的表达式为：

Δφ＝φ′-φ＝f(Bi,Bi

其中，

其中，T

根据本发明的又一方面，提供一种储存介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述技术方案中任意一项所述方法的步骤。

根据本发明的又一方面，提供一种电子设备，包括存储器、显示器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述技术方案中任意一项所述方法的步骤。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明方法及装置不仅可以大大降低试验成本，更有助于深入研究服役环境下涡轮叶片热障涂层隔热效果。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法流程图；

图2是根据本发明一可选实施方式的涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法流程图；

图3是根据本发明一具体实施方式的涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法流程图；

图4是根据本发明一具体实施方式的模拟试验参数设计；

图5是根据本发明一具体实施方式等Bi数多次试验。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

开展涡轮叶片热障涂层隔热效果的模拟试验极其必要，不仅可以大大降低试验成本，更有助于深入研究服役环境下涡轮叶片热障涂层隔热效果。

然而现有的技术中还没有一种基于热障涂层隔热效果关键参数的模拟试验方法。因此，一种准确模拟涡轮叶片服役环境，特别是针对热障涂层隔热效果的关键影响因素来指导设计模拟试验的方法被当前涡轮叶片热障涂层研究领域所迫切需求。

如图1所示，在本发明实施例的第一方面，提供了一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法，包括：

S1：根据真实涡轮叶片参数构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件；

S2：将带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在相同的模拟真实服役条件下进行温度测试；

S3：基于温度场测试结果计算真实环境下热障涂层的隔热温度。

上述实施例方法通过进行模拟对照实验的方法检测有无热障涂层的涡轮叶片在模拟真实服役条件下的隔热温度，不仅可以大大降低试验成本，更有助于深入研究服役环境下涡轮叶片热障涂层隔热效果。

在本发明一可选实施例中，根据真实涡轮叶片参数成构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件包括：

根据真实涡轮叶片材料在真实服役过程的毕渥数Bi选择带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在模拟环境的材料；

根据所述真实涡轮叶片的叶片中弧线位置关系、攻角大小、叶片尺寸及前缘与入口距离的成比例，构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件。

在本发明一可选实施例中，将带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在相同真实服役条件下进行温度测试具体为：

将带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在相同环境压力系数、相同的雷诺数、相同的普朗特数和相同的Bi数条件下进行温度测试。

在本发明一可选实施例中，温度测试为薄膜热电偶温度测试、红外热成像温度测试及磷光温度测试中的一种或多种组合。

在本发明一可选实施例中，基于温度测试结果计算真实环境下热障涂层的隔热温度包括：通过下述公式得到热障涂层的隔热温度，

其中，Δφ为模拟条件下热障涂层的隔热效率，T

ΔT＝Δφ·(T

其中，ΔT为真实条件下热障涂层的隔热温度。

如图2所示，在本发明一可选实施例中，方法还包括：

S4：根据热障涂层材料影响因素和环境影响因素，并基于π定理无量纲化，得到无量纲化影响因素；

S5：基于所述无量纲化影响因素，计算不同涂层厚度和不同热导率但相同热障涂层的毕渥数条件下热障涂层的隔热温度。

在本发明一可选实施例中，无量纲化影响因素的表达式为：

Δφ＝φ′-φ＝f(Bi,Bi

其中，

其中，T

如图3所示，在本发明一具体实施例中，提供一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法，包括：

步骤一建立涡轮叶片热障涂层隔热效果模型；

步骤一建立涡轮叶片热障涂层隔热效果模型，其模型表达式为：

Δφ＝φ′-φ＝f(Bi,Bi

其中，

其中，T

步骤二，试验模拟装置燃气和冷气参数的设计；

步骤二试验模拟装置燃气和冷气参数的设计方法是指通过调节模拟工况的燃气入口压力、温度、流量使得模拟环境下和涡轮叶片真实服役工况的燃气和冷气的压力系数P、雷诺数Re和普朗特数Pr相等，以及调节模拟工况的冷气入口压力、温度、流量使得模拟环境下和涡轮叶片真实服役工况的冷气的压力系数P、雷诺数Re和普朗特数Pr相等，压力系数P、雷诺数Re和普朗特数Pr的具体形式为：

其中，p、ρ、v、l、μ、c

步骤三中的试验模拟件包括无涂层涡轮叶片模拟件和带涂层涡轮叶片模拟件两种模型件。本例中两种模型尺寸相等，且模拟件和模拟段的几何尺寸与真实涡轮叶片成1：1的比例，保持叶片中弧线平行、攻角一致、叶片尺寸成比例、前缘与入口距离成比例。此时，涡轮叶片和热障涂层可以取为和涡轮叶片热障涂层参数相等，即能满足如下的Bi数相等。

步骤四热障涂层隔热效果的试验包括无涂层和带涂层涡轮叶片模拟环境下温度场测试两次试验，基于以上的流场参数和几何、材料参数模拟环境下得到的隔热效果与真实服役环境隔热效果具有等效性。其步骤为下：

(1)将设计好的无涂层涡轮叶片模型件基于几何相似安装在模拟试验装置上；

(2)将试验模拟装置启动并调整参数为设计参数；

(3)待涡轮叶片模拟件温度稳定后，测量叶片各个位置的温度分布；

(4)将带涂层涡轮叶片模型件安装上在同一燃气和冷气参数下重复试验，待温度稳定后，测量叶片涂层界面的温度分布。

的无涂层和带涂层涡轮叶片模型件测温方法本例中可以采用是薄膜热电偶，需要在无涂层和有涂层模型件上布置薄膜热电偶，并进行校准，还需在模拟装置上设计有引线导出通道；测量得到无涂层叶片表面温度和带涂层涂层叶片界面温度为别为T

步骤五热障涂层隔热效果为：

其中，Δφ为模拟条件下热障涂层的隔热效率，T

ΔT＝Δφ·(T

步骤五热障涂层隔热效果分析还可以得到，当对流换热系数为1000W/(m

步骤本算例求解涡轮叶片热障涂层的隔热效果，实现了在低温低压装置上进行真实涡轮叶片环境下热障涂层隔热效果研究，并保证了准确性。此外，基于无量纲化参数试验研究，大大减少了试验次数，有利于缩减涡轮叶片热障涂层隔热效果研究的成本和研究周期。

在本发明实施例的另一个方面，提供一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测装置，包括：

模拟件构建模块，用于根据真实涡轮叶片参数构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件；

温度测试模块，用于将带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在相同真实服役条件下进行温度测试；

隔热温度计算模块，用于基于温度场测试结果计算真实环境下热障涂层的隔热温度。

在本发明一可选实施例中，模拟件构建模块包括：

材料选择单元，用于根据真实涡轮叶片材料在真实服役过程的毕渥数Bi选择带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在模拟环境的材料；

构建单元，用于根据所述真实涡轮叶片的叶片中弧线位置关系、攻角大小、叶片尺寸及前缘与入口距离的成比例，构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件。

在本发明一可选实施例中，温度测试模块具体用于将带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在相同环境压力系数、相同的雷诺数、相同的普朗特数和相同的Bi数条件下进行温度测试。

在本发明一可选实施例中，温度测试为薄膜热电偶温度测试、红外热成像温度测试及磷光温度测试中的一种或多种组合。

在本发明一可选实施例中，隔热温度计算模块通过下述公式得到模拟条件下的热障涂层的隔热效率，

其中，Δφ为模拟条件下热障涂层的隔热效率，T

ΔT＝Δφ·(T

其中，ΔT为真实条件下热障涂层的隔热温度。

在本发明一可选实施例中，装置还包括：

模型构建模块，用于根据热障涂层材料影响因素和环境影响因素，并基于π定理无量纲化，得到无量纲化影响因素；

隔热温度计算模块，还用于基于所述无量纲化影响因素，计算不同涂层厚度和不同热导率但相同热障涂层的毕渥数条件下热障涂层的隔热温度。

在本发明一可选实施例中，无量纲化影响因素的表达式为：

Δφ＝φ′-φ＝f(Bi,Bi

其中，

其中，T

在本发明实施例的又一方面，提供一种储存介质，存储介质上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现上述实施例中任意一项方法的步骤。

在本发明实施例的又一方面，提供一种电子设备，包括存储器、显示器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述实施例中任意一项方法的步骤。

本发明旨在保护一种涡轮叶片热障涂层隔热效果检测方法，包括：根据真实涡轮叶片参数构建带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件；将带涂层涡轮叶片模拟件和无涂层涡轮叶片模拟件在相同的模拟真实服役条件下进行温度测试；基于温度场测试结果计算真实环境下热障涂层的隔热温度。该方法不仅可以大大降低试验成本，更有助于深入研究服役环境下涡轮叶片热障涂层隔热效果。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。