带有热障涂层涡轮叶片前缘气热耦合数值研究

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1、第52卷第1期汽轮机技术Vo1．53No．12011年2月TURBINETECHNOLOGYE出．2011带有热障涂层的涡轮叶片前缘气热耦合数值研究周鸿儒，顾忠华，韩万金，刘占生(1哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001；2哈尔滨动力设备股份有限公司，哈尔滨150040)摘要：采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍流模型，对采用热障涂层技术的某型气冷涡轮叶片前缘传热进行了数值研究。结果表明，由于热障涂层的高绝热性，热障涂层一方面大幅提高叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力，另一方面配合高效的冷却技术

2、，可以降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度。关键词：涡轮；气热耦合；气膜冷却；叶片；热障涂层分类号：TK47文献标识码：A文章编号：1001—5884(2011)01—0036-04NumericalInvestigationofConjugateHeatTransferonaGasTurbineBladewithTBC—coatedatLeadingEdgeZHOUHong—ru，GUZhonghua，HANWan-jin，LIUZhan—sheng(1SchoolofEnergyScienceandE

3、ngineering，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China；2HarbinPowerEquipmentCompany，Harbin150040，China)Abstract：Usingthenumericalcomputationmethodofconjugateheattransferandtransitionturbulencemodel，heattransfernumericalinvestigationontheair—coolingturbin

4、ebladewiththermalbarriercoatingattheleadingedgeiscarriedout．Theresultsshowthat，becauseofthehighheat—insulatingpropertyofthermalbarriercoating，itisabletoimprovetheabilityofresistancetooxidationandhotcorosioninalargedegree．Withthecombinationofeficientcoolingt

5、echnologies，thermalbarriercoatinghastheabilitytoreducetheworkingtemperatureandthetemperaturegradientwithinthebladewallforitsgoodheatinsulationpefornlanee．Keywords：turbine；COnjugateheattransfer；film-cooling；blade；TBC本文采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍0前言流模型，模拟了叶片表面添加热障涂

6、层的涡轮叶片的传热过程，指出由于热障涂层的高绝热性，热障涂层能够大幅提高航空发动机热端部件冷却技术的主要目的：一是降低热叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力，同时，配合高效的冷却技端部件表面温度使其满足材料持久强度和寿命的要求，二是术，热障涂层可以起到降低金属叶片的工作温度和叶片内的减少热端部件的温度梯度以降低热应力水平。航空燃气涡温度梯度的作用。轮发动机高温部件热防护的主要技术主要包括两个方面：一是采用空气等介质进行有效的冷却，二是采用耐高温材料进1计算模型和实验工况行隔热。但是有专家认为在可见的将来，采用空气作为

7、冷却介质的冷却方式仍然是航空发动机热防护的主要手段。NASA的Turner和Hyhon等对带有前缘气膜冷却的在涡轮高温合金叶片基体表面与高温燃气间喷涂热障C3X高压涡轮叶片进行了传热和气动实验，本文选用文献涂层(Thermalbarriercoatings)，热障涂层一般由金属黏结层[6]中的4313号实验工况进行数值模拟，实验边界条件参数(形成AL0，保护膜)和隔热陶瓷层(通常为YO部分稳定见表1。叶片前部有5排气膜冷却孔(c1～c5)，每排有10的ZrO，)组成，采用等离子火焰喷涂或者电子束物理沉积涂个或

8、9个间隔排列的直径d：0．99mm的圆柱型冷却孑L，冷层工艺等方法黏附在叶片的表面上，隔热陶瓷具有熔点高和却孔与径向成45。角，在弦向与前缘壁面垂直，排间距为4d，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孔间距为7．5d。叶片内部有lO个径向圆管型冷却通道，计力，同时降低叶片温度，延长叶片的工作寿命，据文献介绍应算模型流体和固体部分的网格划分都采用分块结构化六面用现有的冷却技术，施加热障