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《飞行状态下热障涂层的受力行为》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、期∀第卷第腐蚀计学您护技才1234(∃!年∀53!月#∃%%∃&∋∃(&#∋)(#)∗(+,%∃−)#−∋∃(−)#.(∋/0)飞行状态下热障涂层‘的受力行为陈全芳马信清彭晓李铁藩6中国科学院金属腐蚀与防护研究所腐蚀科学开放研究实验室,沈阳7789摘要本文通过在计算机中建立航空发动机叶片的工作环境,进而模拟在飞行状态下叶片表面涂敷的陶瓷热障涂层的受力行为,获得了陶瓷涂层在热气动载荷作用下应力场分布,并得出应力场分布与涂层结构和叶片几何形状及与承受的载荷之间的关系,提出了进一步提高陶瓷热障涂层的使用寿命的途径
2、。关键词导向叶片,热障涂层,动态受力行为,计算机模拟4研究背景,,,−:;53>5<#9热障涂层6<=简称由于具有高温化学稳定性好抗冲刷性,,因好和隔热性好等特点可使金属基体部件在难以承受的环境下正常工作而自七十年代初,。问世以来受到普遍的重视并得到较快的发展,,据报导3’,Χ3热障涂层在未来的十年中将达到ΧΔ的年增长率其中在发动机部件中的年4,增长率将达Χ8Δ但无论是国内还是国外在航空发动机中热障涂层的实际应用还很少。其,主要原因是在发动机剧烈的冷热疲劳条件下由于陶瓷与金属之间热膨胀系数不匹
3、配造成涂,’一。,层中存在较大的残余应力导致陶瓷层的剥落3ΕΦ目前对热障涂层的研究方法主要是在实,验室中通过试验装置模拟6如将样品在加热炉中或在%?Β一−;Γ≅装置中使其承受热载荷9通过筛选确定适用于发动机的热障涂层。这样做的结果往往不太理想。究其原因,主要是目前的实验装置模拟与发动机实际工作环境相差甚远。,。为了解决实物模拟难以解决的问题作者开展了计算机模拟热障涂层动态行为的研究,,通过在计算机中建立叶片承受的热气流动载荷环境模拟分析热障涂层在受载过程中的行为,。探索提高热障涂层寿命的途径从而可为热障涂层的优化设计提供
4、依据Χ4发动机叶片模拟环境的建立,。一,为了在计算机中建立模拟环境主要解决两个问题是实物部件的数值模拟另一个是边界条件的模拟。,以。在本项工作中某型发动机二级导向叶片作为模拟部件将模拟叶片沿横断叶高方向剖切,取最高工作温度处截面作为模拟部分4在叶片表面施加7拜=的<∗∋Η合金涂层底(∋#,<。。层在其外面施加Χ87拜=的Ι∃Ι6ϑΔΗΙ∃Ε9陶瓷涂层叶片及涂层如图所示ΚΛΕ青年基金资助项目ΚΚ获中国腐蚀与防护学会第三届全国青年腐蚀科技论文讲评会二等奖中国腐蚀与防护学会第三届全国青年腐蚀科技论文讲评会获奖论文专辑采用
5、六节点三角形曲边单元进行化分,<其中在(∋#∗∋Η合金涂层底层和外面施加Ι<∃ΙΗΙ∃Ε的6ϑΔ9陶瓷涂层及叶片边界附近进行细微化分。共得到单元ΕΕ个,节点87个Τ模拟工作是在∗(&Η&6!4Ε∗9有限。4ΡΜ?Β#<2ΓΓΓ;;≅?2ΑΓ5ΑΝ≅;=Ο;<5≅Π<;Ν?Γ≅
6、叶片的换热系数可按下述方法进行ς4Π;2,4了、、∀护、了口4夕4(Ω77Χ8尺了4,乙∀,且%;Ω附占ΞΨ(ΠΩ仪ΘΞ又上式中刀“、%;为常数项。Ζ为燃气流速度,Θ为叶弦长度,Ψ为燃气粘性系数,ς为燃气热交,。换系数又为气体导热系数由式6396Χ96Ε9可得燃气热交换系数ςΠ4一又(Ξ占一77Χ8又Θ’Ξ’Ψ。,6牙Ξ96!9,,。Ψ兄燃气粘性系数2[Ψ6−9气体导热系数2[双−9−为燃气工作温度根据燃气温度和燃气,。流速沿叶片表面分布可求得热交换系数沿叶片表面的分布,叶片表面承受的载荷主要有涡轮室内的静压力和燃气流对
7、叶片表面的冲击力统一称之。ς为气动力载荷叶片表面承受的气动力分布可由下式求得’尸一尸∴Ο],ΞΧΩ尸∴,才,Ξ取689尸’,尸,,。式中为总压力为静压力体为气流速度Ο为燃气密度,,燃气密度Ο∃#爪−9由气流速度牙和气流温度−沿叶片表面的分布可求得叶片承受的总压力沿叶片表面的分布。,由气流速度Ζ和气流温度−沿叶片表面的分布及热交换系数和气流总压力沿叶片表,。面的分布确定了叶片承受的边界条件Ε4结果分析与讨论通过模拟结果发现,在发动机的工作状态中,叶片表面的陶瓷隔热涂层与合金底层及叶。图、Χ载片基体中所承受的应力是不同的Ε为
8、叶片进气边陶瓷层底层和基体在对应图荷谱各过程中等效主应力最大值随时间的变化6为方便起见选取等效主应力最大值作为比较来进行分析9。由图中可见涂层所承受的应力与载荷分布变化关系很大。在第一阶段应力普遍偏低,在第二阶段6即起动后的滑行阶段9应力略微上升。在第三阶段6即加力阶段9应力急剧升中国腐蚀与防护学会第三届全国青年腐蚀
