一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114112108A(43)申请公布日2022.03.01(21)申请号202111341291.7(22)申请日2021.11.12(71)申请人中国航发沈阳发动机研究所地址110015辽宁省沈阳市沈河区万莲路1号(72)发明人张涛曾令玉崔兴张志强(74)专利代理机构北京航信高科知识产权代理事务所(普通合伙)11526代理人刘传准(51)Int.Cl.G01K13/00(2021.01)G01K1/143(2021.01)权利要求书3页说明书7页附图1页(54)发明名称一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法(57)摘要本申请属于涡轮冷却叶片领域，特别涉及一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法。本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，通过计算确定叶片隔热需求，选取热障涂层厚度初始值，然后对不同区域涂层隔热效果进行计算，反复迭代计算涂层厚度与隔热效果，直至热障涂层厚度与不同区域冷却需求相互匹配，保证热障涂层隔热效果满足设计目标，并在此基础上对涂层表面光顺处理。本申请的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，从叶片对隔热效果的需求出发，适应叶片外型结构，能够实现全叶身变厚度热障涂层设计，满足叶片不同区域冷却需求，保证热障涂层达到设定的冷却效果与隔热能力。CN114112108ACN114112108A权利要求书1/3页1.一种涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，包括：步骤一、将叶片进行区块划分，并获取叶片的各个区块的目标壁温；步骤二、计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步；步骤三、S301、选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温；S302、将热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，其中，当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，将热障涂层的初始厚度作为热障涂层的厚度；当增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温大于目标壁温时，对热障涂层的厚度进行迭代，直至增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温时，确定热障涂层的厚度；当热障涂层的厚度迭代次数达到阈值时，仍不满足增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温不大于目标壁温，则更换热障涂层，重复步骤三。2.根据权利要求1所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，步骤二中，所述计算叶片的各个区块的稳态壁温，将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比，判断各个区块是否需要设计热障涂层，若存在需要设计热障涂层的区块，则进行下一步包括：S201、获取叶片的稳态壁温计算公式：其中，Tbw为叶片外壁面温度，Tg为燃气温度，Tc为冷气温度，Hg为燃气与叶片表面换热系数，Hc为冷气与叶片表面换热系数，kyp为叶片基体的导热系数，Lyp为叶片壁厚；根据叶片的稳态壁温计算公式计算得到叶片的各个区块的稳态壁温Tbw(Di)；S202、将叶片的各个区块的稳态壁温与目标壁温进行对比；若所有Tbw(Di)≤Tσ(Di)，则不需要设计热障涂层；若存在Tbw(Di)＞Tσ(Di)，则存在需要设计热障涂层的区块，进行下一步；其中，Tσ(Di)为叶片的对应区块的目标壁温。3.根据权利要求2所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，S301中，所述选取热障涂层，并设定热障涂层的初始厚度，计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温包括：获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'等效；获取增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式：2CN114112108A权利要求书2/3页其中，Tbw'为增加热障涂层后叶片外壁面温度，Tg为燃气温度，Tc为冷气温度，H'等效为燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数，Hc为冷气与叶片表面换热系数，kyp为叶片基体的导热系数，Lyp为叶片壁厚；根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温Tbw'(Di)；计算热障涂层初始厚度下增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温。4.根据权利要求3所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，所述获取燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'等效包括：计算增加热障涂层后叶片表面等效热阻R'等效：得到燃气与增加热障涂层后叶片表面等效换热系数H'等效：其中，δt为热障涂层的厚度，kt为热障涂层的导热系数。5.根据权利要求4所述的涡轮冷却叶片热障涂层设计方法，其特征在于，所述根据增加热障涂层后叶片的稳态壁温计算公式计算得到增加热障涂层后叶片的各个区块的稳态壁温Tbw'(Di)为：其中，m为叶片的区块总个