热障涂层冲蚀率模型及含涂层涡轮叶片冲蚀工况模拟方法.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CN105868501A(43)申请公布日2016.08.17(21)申请号201610256953.3(22)申请日2016.04.21(71)申请人湘潭大学地址411105湖南省湘潭市雨湖区湘潭大学(72)发明人杨丽肖逸奇周益春朱旺(74)专利代理机构北京中政联科专利代理事务所(普通合伙)11489代理人谢磊(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图4页(54)发明名称热障涂层冲蚀率模型及含涂层涡轮叶片冲蚀工况模拟方法(57)摘要本发明公开了对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法和具有热障涂层的涡轮叶片冲蚀工况的模拟方法。训练方法包括：建立待拟合的冲蚀率模型；基于器件样品的热障涂层不同冲蚀角度下和不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率，得到热障涂层高温冲蚀率模型。冲蚀工况模拟方法包括：建立与涡轮叶片几何模型相对应的外流场模型；对外流场模型进行组装处理，生成流体计算域模型；基于热障涂层高温冲蚀率模型对流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据。本发明将商用有限元软件作为平台，成本低，同时考虑燃气中夹带不同粒径冲蚀粒子和涡轮叶片的复杂几何形状的关键因素，定量预测涡轮叶片热障涂层冲蚀失效。CN105868501ACN105868501A权利要求书1/2页1.一种对热障涂层高温冲蚀率模型的训练方法，包括：建立待拟合的冲蚀率模型(1)，所述待拟合的冲蚀率模型包含待拟合参数；获取器件样品的热障涂层在不同冲蚀角度下的冲蚀率；获取器件样品的热障涂层在不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率；基于所述不同冲蚀角度下的冲蚀率和不同速度的冲蚀颗粒下的冲蚀率，对所述冲蚀率模型进行拟合计算，求出待拟合参数，得到热障涂层高温冲蚀率模型。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述待拟合的冲蚀率模型的表达式为：其中，E为冲蚀率，α为冲蚀角度，HC为热障涂层的硬度，HP为冲蚀颗粒的硬度，Γ为热障涂层的断裂韧性，ρ为热障涂层的密度，h为热障涂层的内部薄层厚度，v为冲蚀颗粒的速度，n1、n2、Kε为待拟合参数。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述冲蚀颗粒为氧化铝粉末。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述热障涂层的硬度HC取值为13GPa；所述冲蚀颗粒的硬度HP取值为15GPa；所述热障涂层的密度ρ取值为5800kg/m3；所述热障涂层的内部薄层厚度h取值为5μm；所述热障涂层的断裂韧性Γ取值为50J/m2。5.一种具有热障涂层的涡轮叶片冲蚀工况的模拟方法，包括：对涡轮叶片进行几何建模，得到几何模型；建立与所述几何模型相对应的外流场模型；对所述外流场模型进行组装处理，并设置计算域参数，生成流体计算域模型；根据权利要求1-4任一项所述热障涂层高温冲蚀率模型对所述流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据；根据所述冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据，生成冲蚀颗粒速度轨迹图及冲蚀速率分布云图。6.根据权利要求5所述的方法，所述对涡轮叶片进行几何建模，得到几何模型包括：在有限元建模软件中，建立涡轮静叶片的三维几何模型；在有限元建模软件中，建立涡轮动叶片的三维几何模型。7.根据权利要求6所述的方法，所述建立与所述几何模型相对应的外流场模型包括：在有限元建模软件中，导入所述涡轮静叶片的三维几何模型，建立相对应的静叶片外流场模型，并对所述静叶片外流场模型进行离散化处理，得到静叶片外流场离散化模型；在有限元建模软件中，导入所述涡轮动叶片的三维几何模型，建立相对应的动叶片外流场模型，并对所述动叶片外流场模型进行离散化处理，得到动叶片外流场离散化模型。8.根据权利要求7所述的方法，所述对所述外流场模型进行组装处理，并设置计算域参数，生成流体计算域模型包括：在有限元分析软件中，导入所述静叶片外流场离散化模型和动叶片外流场离散化模2CN105868501A权利要求书2/2页型；设置涡轮静叶片的计算域为静止坐标系；设置涡轮动叶片的计算域为旋转坐标系；设置静叶片外流场离散化模型的一端为流体进口面；设置动叶片外流场离散化模型的一端为流体出口面；设置静叶片外流场离散化模型与动叶片外流场离散化模型的交界面为冻结转子类型；设置动叶片外流场离散化模型的两个侧面为周期性边界；设置静叶片外流场离散化模型的两个侧面为周期性边界；设置动叶片的表面为壁面边界；设置静叶片的表面为壁面边界。9.根据权利要求5所述的方法，根据权利要求1-4任一项所述热障涂层高温冲蚀率模型对所述流体计算域模型进行计算，得到外流场燃气速度场数据、冲蚀颗粒运动轨迹数据和热障涂层被冲蚀量数据，包括：在程序编写软件中，对所述热障涂层高