一种热障涂层局部剥落涡轮叶片有限元分析方法

技术领域

本发明涉及一种热障涂层局部剥落涡轮叶片有限元分析方法。

背景技术

现代航空发动机朝着高推重比、高效率、可靠性、低油耗的方向发展，而每一次推重比的提高，都需要以涡轮前进口温度的提高作为代价。现代先进航空发动机涡轮前温度已经超过2000℃(文生琼,何爱杰,王皓.热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用[J].燃气涡轮试验与研究,2009,01:59-62.)，如此高的温度给发动机涡轮叶片等热端部件的安全使用带来了严峻考验。

随着先进航空发动机推重比和热效率不断提高，热障涂层(TBCs)已经被认为是航空发动机的必然隔热技术。通过在叶片表面喷涂低热导率的热障涂层，一方面将高温合金壁面与高温燃气隔离，减小高温燃气直接传递给金属部件的热负荷，从而降低金属外壁面温度，另一方面可使金属部件免受高温燃气的腐蚀和氧化，从而延长热端部件使用寿命，提高发动机效率。热障涂层厚度一般为100～400um，通过文献(刘志远.基于隔热与寿命的涡轮叶片热障涂层应用效果评价研究[D].湘潭大学,2021.DOI:10.27426/d.cnki.gxtdu.2021.000025.)调研知250μm的热障涂层能降低基底温度110～170℃。

然而，由于TBCs各层材料间性能参数不匹配、界面结构复杂，使得服役过程中在涂层内部产生显著的热失配应力。较高的热失配应力可能诱发涂层内部裂纹的萌生和扩展，进而导致涂层的不同程度的剥落失效。尤其对于涡轮叶片，表面的热障涂层一旦剥落，会使基体合金暴露在超过材料设计耐温能力的高温腐蚀性燃气环境中，极易引起叶片烧蚀、断裂，严重危害发动机安全性、可靠性和经济性。

目前涡轮叶片设计时，需应用有限元软件对涡轮叶片进行热力耦合计算，以根据需要对叶片的强度、振动特性、寿命进行分析，从而为设计、试验等部门提供建议与数据支撑，以保证叶片的安全使用。而进行热力耦合分析时所需的温度场、压力场需先通过对叶片进行流固耦合得到，流固耦合计算得到的温度场、压力场直接影响后续叶片热力耦合的计算结果。

综上所述，热障涂层剥落后，会改变叶片的服役环境，进而影响发动机性能。因此亟须建立起一种热障涂层局部剥落后，能较为准确的计算涡轮叶片温度场的方法，从而为涡轮叶片安全服役提供保障。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种热障涂层局部剥落涡轮叶片有限元分析方法，该热障涂层局部剥落涡轮叶片有限元分析方法能够计算不同部位涂层剥落后叶片的温度分布状态，为航空发动机叶片安全使用提供设计指导，便于研究不同部位涂层剥落对叶片的影响，有助于保证叶片服役的安全。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种热障涂层局部剥落涡轮叶片有限元分析方法，包括以下步骤：

①建立带热障涂层涡轮叶片的三维模型；

②对三维模型进行有限元网格划分；

③利用湍流模型对划分后的有限元模型进行流固耦合计算；

④后处理获得热障涂层局部脱落的涡轮叶片温度场。

所述湍流模型采用ANSYS的CFX模块实现。

所述步骤①具体包括以下步骤：

S1.1.运用三维建模软件建立涡轮叶片三维模型；

S1.2.根据涡轮叶片表面热障涂层部位，在三维建模软件中建立热障涂层三维模型。

所述三维建模软件为UG软件。

所述步骤②采用ANSYS的ICEM模块实现，其中，涡轮叶片采用实体单元，热障涂层采用壳单元。

所述步骤③具体包括以下步骤：

S3.1.定义材料的属性：分别对涡轮叶的陶瓷层、过渡层和基底定义材料属性；

S3.2.流固耦合边界设置：将涡轮叶片与流体域接触的边界面设置为流热耦合面；

S3.3.筛选节点：选择涂层剥落部位的节点，根据节点选择其所在的单元，使用生死单元技术杀死选择的单元；

S3.4.流固耦合计算：对经筛选的有限元模型进行流固耦合计算。

所述步骤S3.1中，定义基底的热传导系数、基底的弹性模量、基底和陶瓷层的泊松比、基底和陶瓷层的比热、基底和陶瓷层的密度。

所述步骤S3.2中，设置进口总温T0＝1600K、进口总压P0＝1300KP、进口气流角α＝0、出口平均静压P2＝950KP。

所述步骤S3.2中，设置流体域的湍流模型为SST模型。

所述SST模型中包含限制数的涡流年度方程求得的方程为：

式中，Ω为涡量，

ω为方程中的混合函数：

式中，a

本发明的有益效果在于：采用生死单元技术将涂层剥落部位的单元杀死，达到模拟任意部位涂层剥落失效的状态，以研究不同部位涂层剥落对叶片的影响，从而提高涡轮叶片评估结果的可靠性，为航空发动机叶片的安全使用提供保障。

附图说明

图1是本发明至少一种实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

实施例1

如图1所示的一种热障涂层局部剥落涡轮叶片有限元分析方法，包括以下步骤：

①建立带热障涂层涡轮叶片的三维模型；

②对三维模型进行有限元网格划分；

③利用湍流模型对划分后的有限元模型进行流固耦合计算；

④后处理获得热障涂层局部脱落的涡轮叶片温度场。

实施例2

基于实施例1，湍流模型采用ANSYS的CFX模块实现。

进一步的，步骤①具体包括以下步骤：

S1.1.运用三维建模软件建立涡轮叶片三维模型；

S1.2.根据涡轮叶片表面热障涂层部位，在三维建模软件中建立热障涂层三维模型。

进一步的，三维建模软件为UG软件。

进一步的，步骤②采用ANSYS的ICEM模块实现，其中，涡轮叶片采用实体单元，热障涂层采用壳单元。

实施例3

基于实施例1，步骤③具体包括以下步骤：

S3.1.定义材料的属性：分别对涡轮叶的陶瓷层、过渡层和基底定义材料属性；

S3.2.流固耦合边界设置：将涡轮叶片与流体域接触的边界面设置为流热耦合面；

S3.3.筛选节点：选择涂层剥落部位的节点，根据节点选择其所在的单元，使用生死单元技术杀死选择的单元；

S3.4.流固耦合计算：对经筛选的有限元模型进行流固耦合计算。

步骤S3.1中，定义基底的热传导系数、基底的弹性模量、基底和陶瓷层的泊松比、基底和陶瓷层的比热、基底和陶瓷层的密度。

步骤S3.2中，设置进口总温T0＝1600K、进口总压P0＝1300KP、进口气流角α＝0、出口平均静压P2＝950KP。

步骤S3.2中，设置流体域的湍流模型为SST模型。

SST模型中包含限制数的涡流年度方程求得的方程为：

式中，Ω为涡量，

ω为方程中的混合函数：

式中，a

实施例4

基于上述实施例，步骤如下：

步骤1：建立带热障涂层涡轮叶片的三维模型。

101.运用UG软件建立涡轮叶片三维模型。

102.根据涡轮叶片表面热障涂层部位，在UG中建立热障涂层三维模型。

步骤2：对三维模型进行有限元网格划分。

运用ANSYS中的ICEM模块对步骤1中的三维模型进行网格划分，涡轮叶片采用实体单元，热障涂层采用壳单元。

步骤3：利用ANSYS中的CFX模块对划分后的有限元模型进行流固耦合计算。

301.定义材料的属性。

分别对陶瓷层、过渡层和基底定义材料属性，具体参数包括热传导系数、基底的弹性模量、基底和陶瓷层的泊松比、基底和陶瓷层的比热、基底和陶瓷层的密度如表1～表5。

表1热传导系数

表2弹性模量

表3泊松比

表4比热

表5密度

302.流固耦合边界设置。

涡轮叶片与流体域接触的边界面设置为流热耦合面，进口总温T0＝1600K、进口总压P0＝1300KP、进口气流角α＝0、出口平均静压P2＝950KP。湍流模型选择SST模型。将计算域两侧的壁面设定为周期性边界。

SST模型中包含限制数的涡流年度方程求得的方程为：

式中，Ω为涡量，

ω为方程中的混合函数：

式中，a

303.选择涂层剥落部位的节点，根据节点选择其所在的单元，使用生死单元技术杀死选择的单元。

304.对所述有限元模型进行流固耦合计算。

一般的，CFX求解器下微分形式的连续方程、运动方程、能量方程分别为：

式中：

步骤4：后处理获得热障涂层局部脱落的涡轮叶片温度场。