两机叶片丨703所：某型燃气轮机热障涂层对涡轮动叶冷却效果的影响机制研究

在燃气轮机的发展过程中，为了提高发动机的功率和热效率，涡轮入口温度也在不断提高。涡轮叶片承受高温燃气冲击，在涡轮进口温度不断提高的情况下，仅依靠空气冷却已经不能满足要求。热障涂层作为提高材料耐高温和耐腐蚀性能的有效手段，得到了越来越多的应用。

热障涂层一般采用等离子火焰喷涂或者电子束沉积等方法黏附在叶片表面，具有熔点高和抗热冲击的特性，可以提高涡轮叶片抗氧化和抗热腐蚀的能力，降低叶片温度，延长叶片的工作寿命。Alizadeh 等通过气热耦合数值模拟的方法，对0.2 mm 热障涂层的隔热效果进行研究，结果表明，叶片的最高温度降低了19 K，平均温度降低了34 K。Prapamonthon 等研究了湍流强度对热障涂层叶片的冷却效率的影响，结果表明，热障涂层可使叶片表面的综合冷却效率提升16%～20%，叶片尾缘处提升8%。朱健等从热力学角度对带涂层叶片建立了一维稳态模型，从理论上分析和计算热障涂层的隔热效果。石黎等对带有的热障涂层的C3X 进行数值研究，0.3 mm 陶瓷层可使叶片表面温度降低72.6 K，综合冷却效率增加6.5%，热障涂层对叶片表面冷却效率的分布规律无影响。周鸿儒等对带有热障涂层的涡轮叶片前缘进行数值研究，结果表明，热障涂层不仅可降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度，同时在一定程度上可抵抗进口热斑的热冲击。杨晓光等通过给定叶片内、外表面的传热系数，计算了带热障涂层导向叶片的二维温度场分布和应力情况。王利平等对带有复合冷却结构的涡轮导叶进行三维气热耦合分析，研究了涂层厚度及气体辐射对涂层温度场影响。刘建华等针对带有多层结构热障涂层的MarkⅡ型冷却叶片，通过内部设定换热系数、外部气热耦合的方法对热障涂层的隔热效果进行分析。

本文对带热障涂层叶片的换热特性进行研究，数值分析了热障涂层对叶片冷却及表面温度分布的影响规律，研究工作对后续分析叶片涂层失效原因、叶片冷却改进设计有一定指导意义。

1、计算方法

1.1 计算模型

热障涂层处在高温燃气与叶片合金基体表面之间，由金属黏结层和隔热陶瓷层构成，其基本结构如图1 所示。在计算模型构建时，忽略热障涂层结构中热导率较高的黏结层，仅保留热导率较低的隔热陶瓷层。

图2为涂有热障涂层后的叶片模型，叶片内部含有多通道的回转冷却结构，前缘开设2 排气膜冷却孔，尾缘为中间劈缝结构，叶顶为H 型凹槽结构，热障涂层仅喷涂在叶身和下缘板表面。由于叶片伸根以下温度较低，且不作为研究重点，为减少计算网格数量，在设置计算模型时，将伸根以下部分忽略，构建出如图3 所示的计算域模型。

1.2 数值计算方法

涡轮冷却动叶的内部几何形状较为复杂，很难采用结构化网格，而采用非结构化网格计算量又显著增加，对此，本文采用多面体网格生成器，对叶片和气体域进行网格划分，网格模型如图4所示。

在计算模型中，热障涂层的厚度极小，不足叶片壁厚的1/10，为此本文采用薄体网格生成器，将热障涂层划分成3 层多边形棱柱网格，其中薄体网格的层数已经过无关性验证，薄体网格的层数对叶片温度场几乎无影响。

流体域采用雷诺平均纳维-斯托克斯（Reynoldsaveraged Navier-Stokes equations，RANS) 湍流模型中的Realizable K-Epsilon Two-Layer 模型，该模型为全y+壁面的网格处理提供更大的灵活性，既可以很好地处理精细网格（即低雷诺数类型或低y+网格），又能够以最精确的方式处理中间网格（即1＜y+＜30），可有效地平衡稳定性、计算成本和精度。

1.3 边界条件

燃气进口设置为总压滞止进口，冷却空气进口为质量流量进口，出口设置为静压出口。燃气通道内的涂层表面设定为流-固耦合面，涂层与叶片金属表面设置固体交界，通道两侧设置为旋转周期。冷气与燃气均为理想气体，气体热容和热导率采用萨瑟兰公式设定。相应的计算边界条件为：燃气通道主流进口总压为2.5 MPa，带径向温度梯度的进口温度分布如图5 所示，叶片内冷通道冷气进口流量为45 g/s，总温为540 ℃，出口压力为0.9 MPa。叶片材料为镍基单晶高温合金，材料的热导率随温度变化。就现有材料而言，热障涂层一般采用稳定的氧化钇氧化锆（YSZ）材料或氧化锆（ZrO2），其热导率随温度变化很小，因此在计算中热导率设为1.03 W/(m·K）。

 

图5 燃气进口温度分布

2 计算结果分析

2.1 叶片表面温度

图6和图7分别为无涂层叶片表面温度分布和不同涂层厚度下叶片金属表面温度分布。可以看出，随着涂层厚度的不断增加，叶片金属表面温度逐渐降低，不同厚度下叶片金属表面的温度分布规律基本一致，压力面中部温度较低，叶顶温度较高。叶顶通常是整个叶片较难冷却的位置，叶顶的凹槽肋很难被冷气直接冷却。在计算模型中，涂层只覆盖在叶身表面，叶顶无涂层覆盖，对于来自叶顶燃气侧的热量没有阻隔作用，因此叶顶处的高温区一直存在。

图8 为叶片金属表面平均温度随厚度的变化曲线。可以看到，叶片金属表面平均温度随涂层厚度的增加而降低。这是由于热障涂层导热系数低，在高温燃气与金属叶片增加了导热热阻，有效降低了叶片金属表面的温度。涂层厚度为0.05 mm 时，叶身平均温度降低21 ℃，而后随着热障涂层厚度的增加，叶片表面的温度不断降低；当涂层厚度为0.20 mm 时，叶身平均温度降低49 ℃。这与张志强等通过冷效试验测量的隔热效果基本一致。

图9为叶片截面表面温度沿轴向弦长的变化曲线。从图9 中可以看出，在不同热障涂层厚度下，温度沿轴向弦长变化趋势基本一致，吸力面温度明显高于压力面温度。在轴向弦长方向上，压力面和吸力面温度先降低后升高，尾缘区域有一定波动，这是由于尾缘中间劈缝喷冷的结构形式造成的。同时涂有热障涂层的叶片温度明显下降，且吸力面温度下降的幅度明显大于压力面。从前缘到尾缘温降逐渐减小，越靠近叶片前缘处，温度降低幅度越大。

叶片金属温度的均匀性影响着叶片的热应力水平，因此本文采用温度的体均匀度指数来衡量固体叶片的温度均匀程度。温度的体均匀度指数：

式中：c 为每个单元体积，T-为温度T 的体平均值， Tc为网格单元中的温度值， Vc为网格单元体积。如果体温度场均匀分布，则体均匀度指数为1。从图10 中可以看出，喷涂热障涂层后，叶片温度均匀度明显提高，当涂层厚度为0.2 mm 时，叶片的温度均匀度指数提高0.4%。

2.2 涂层表面温度

涂层表面温度变化情况如图11 所示。从图11可以看出，随着涂层厚度的增加，热障涂层的表面温度不断升高，这与叶片表面平均温度变化趋势正好相反。由于涂层厚度方向热阻增大，涂层表面与叶片表面的温差逐渐增大，表面累积的热量更难向金属叶片扩散。当涂层厚度为0.20 mm时，涂层内外的温差达到86 ℃。

2.3 叶片截面温度

图12为涂有热障涂层和未涂热障涂层叶片的前缘与尾缘截面温度分布。表面涂有热障涂层后，叶片的截面温度明显降低，温度梯度有所缓解。这是因为涂有热障涂层后，涂层内热流密度减小，同时由于热障涂层材料具有较低的低导热率，在热障涂层固体内部温度变化非常剧烈。

 

3 结论

4）随着涂层厚度的增加，叶片内的温度场变得更加均匀，温度梯度也有所缓解，而在热障涂层厚度方向上，温度的变化则非常剧烈。