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  • 渦輪葉片熱障涂層隔熱效果的研究進展
    2021-01-14 11:39:18 作者:周益春 來源:湘潭大學材料科學與工程學院, 湖南 湘潭 分享至:

    渦輪葉片熱障涂層隔熱效果的研究進展


    周益春1,楊 麗1, 2,劉志遠1,朱 旺1

    (1. 湘潭大學材料科學與工程學院, 湖南 湘潭 411105)(2. 西安電子科技大學先進材料與納米科技學院, 陜西 西安 710126)

    摘 要:隨著航空發動機的發展,熱障涂層已經變為未來高性能發動機不可缺少的技術,其隔熱效果的準確評價與預測是進行渦輪葉片優化設計、發動機性能提升的關鍵問題。回顧了近些年來渦輪葉片熱障涂層的隔熱效果研究的理論方法、模擬實驗裝置與測溫技術的研究進展,進一步從材料參數、服役環境以及渦輪葉片結構3個方面介紹了渦輪葉片熱障涂層隔熱效果的影響因素和有關規律發現。最后展望了熱障涂層隔熱效果研究的發展趨勢和挑戰。影響熱障涂層隔熱效果的服役環境和冷卻結構方面因素眾多,當前的實驗研究還不充分,未來熱障涂層隔熱效果的研究趨勢是:優化熱障涂層與氣膜冷卻相互影響及其服役可靠性相互耦合的評價理論和試驗方法,開發針對渦輪葉片服役環境下熱障涂層表面和界面溫度測量技術,研究高速旋轉下燃氣、冷氣等相關參數對隔熱效果和可靠性的影響因素。

    關鍵詞:渦輪葉片;熱障涂層;隔熱效果;試驗裝置;測溫技術

    1 前 言

    航空發動機推重比的不斷提升,使得渦輪進口溫度大幅度提升,現代先進戰機的發動機渦輪進口溫度已普遍超過1700 ℃[1]。一代葉片,一代發動機,渦輪葉片承溫能力很大程度上決定了發動機的性能。“世界航空推進計劃”提出了渦輪葉片的三大熱防護技術:① 單晶。目前最先進單晶合金的承溫能力為1150 ℃左右,目前正以每年1~2 ℃的速度艱難地挑戰材料極限。② 氣膜冷卻。在空心葉片上進一步打孔,空心葉片內部冷氣通過這些小孔噴出,并在葉片表面形成低溫氣膜保護葉片。這一技術可將葉片承溫能力提升400 ℃左右,但同時也降低發動機熱效率、降低葉片強度并增加加工難度,其發展也已接近瓶頸。③ 熱障涂層。1953年由美國國家航空航天局(NASA)提出在高溫合金表面涂覆耐高溫、高隔熱陶瓷的防護涂層體系,有文獻報道,涂覆厚度為250 μm的熱障涂層能使基底溫度降低110~170 ℃,相當于過去30年發展高溫合金提高承溫能力的總和[2, 3]。因此,熱障涂層被認為是目前大幅度提升渦輪葉片服役溫度最切實可行的辦法。此外,熱障涂層也被認為是提高下一代的陶瓷基復合材料基底(CMCs)服役溫度和可靠性的必要技術[4]。美國工程院院士、哈佛大學Clarke教授在美國高峰材料論壇《熱障涂層專刊》中指出:未來高性能航空發動機熱效率、推重比和可靠性的任何一點進步都將依賴于熱障涂層技術的發展[5]。

    隔熱是熱障涂層的應用目的,隔熱效果的定量評價是熱障涂層應用以及發動機渦輪葉片設計的必然需求。然而,熱障涂層保護的渦輪葉片的結構和服役的高溫環境極為復雜。結構上,渦輪葉片不僅具有復雜的曲面外形,內部還帶有蛇形通道、U形通道以及肋片、擾流柱、氣膜孔等結構;環境上,高溫燃氣、環境介質、高速旋轉、冷氣和氣膜冷卻在這樣復雜的結構上相互作用與耦合[6-8],同時伴有與燃燒室的熱交換、熱傳導、熱輻射等。這些復雜性導致熱障涂層的隔熱效果評價,無論是從理論模型、數值模擬還是實驗測試,都極為困難。國內外學者對熱障涂層隔熱效果的報道各不相同,Padture等2002年受Science約稿時指出:應用100~400 μm厚的熱障涂層可使金屬溫度降低100~300 ℃[3],但Prapamonthon等[9]通過數值模擬方法研究發現熱障涂層的隔熱效果在20 ℃左右,國內有關設計部門指出,應用熱障涂層后葉片的承溫能力并無顯著增加。熱障涂層隔熱效果不明,已成為發動機溫度與可靠性設計的巨大難題。Harrison[10]發現服役溫度比設計溫度高10~15 ℃將導致渦輪葉片壽命降低50%。Davidson[8]報道發動機熱效率提高1%所節約的能量可以供100萬個家庭一年的用電,節約8億美元的燃料成本。因此,熱障涂層隔熱效果對渦輪葉片熱效率的提升極為重要,其定量評價是高性能發動機渦輪葉片冷卻設計亟待解決的關鍵難題。

    盡管渦輪葉片熱障涂層的隔熱效果評價極為困難,但基于發動機渦輪葉片冷卻設計的迫切需求,國內外科研工作者依然不斷嘗試,從理論上建立熱障涂層隔熱效果的評價模型,從數值模擬上得到隔熱效果相關關鍵參數的影響規律,并發展渦輪葉片熱障涂層隔熱效果的實驗研究。本文針對渦輪葉片熱障涂層隔熱效果評價,分別從理論分析方法、實驗測試技術和影響因素3個方面介紹其研究進展,最后對渦輪葉片熱障涂層隔熱效果評價研究的未來發展進行展望。

    2 渦輪葉片熱障涂層隔熱效果

    2.1 隔熱效果評價模型

    涂覆熱障涂層的渦輪葉片,其承溫能力來源于內部冷卻、氣膜冷卻以及熱障涂層3個方面。圖1[7, 11]給出了高溫燃氣環境下涂覆熱障涂層的渦輪葉片的冷卻示意圖,空心曲面結構的渦輪葉片熱障涂層表面承受高溫、高速燃氣沖擊,與此同時,葉片上開有多列直徑為幾百微米的氣膜孔,內部的低溫冷卻氣體通過氣膜孔在涂層表面形成一層冷氣膜,使得涂層外表面與高溫燃氣隔開。熱障涂層隔熱效果實際上是葉片結構、涂層、冷卻氣膜與燃氣綜合作用的效果。由于葉片結構的復雜性和燃氣、冷卻氣膜、涂層之間的傳熱的復雜性,很難將各種因素考慮進來,進而建立熱障涂層的隔熱效果模型。目前國內外最普遍也最直接地將熱障涂層隔熱效果定義為涂層外表面、涂層與金屬界面的溫度之差。由于金屬熱傳導系數遠大于陶瓷層的熱傳導系數,而且界面處的溫度測量非常困難,因此直接將熱障涂層隔熱效果定義為涂層和基底自由表面的溫差,這個溫差為:

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    圖1 渦輪葉片熱障涂層和氣膜冷卻技術[7, 11]

    Fig.1 Cooling film technology and thermal barrier coatings on turbineblades[7, 11]

     

    這里,ΔT表示熱障涂層隔熱效果,Ttbc表示涂層表面溫度,Tw,e是基底表面溫度,q是通過涂層的熱流,k是涂層熱導率。基于這一定義,熱障涂層隔熱效果極大程度上取決于涂層的熱導率,其值越小,隔熱效果越好。因此,圍繞降低熱導率的成分與工藝設計一直是熱障涂層領域的研究重點與熱點[12-16]。

    然而實際上,發動機的設計師和工程師們發現:使用了熱障涂層后隔熱效果并不好,還出現熱障涂層的剝落和堵塞氣膜孔,也就是說熱障涂層不僅不是“正能量”,反而是“負能量”。如Maikell等[17]在對涂覆熱障涂層的渦輪葉片前緣氣膜冷卻效率的實驗研究中發現,同樣的冷氣環境下,應用熱障涂層后基底溫度顯著降低,但涂層表面溫度較沒有涂層時葉片表面溫度高了3 ℃,此時熱障涂層的貢獻如何計算陷入困境。Harrison[10]發現基于這一定義的葉片設計,可能造成渦輪葉片壽命高估約10%~15%,從而在極大程度上增大了發動機的不可靠性。

    我國同樣也出現“負能量”的例子,所以學術界和工業界戲稱對熱障涂層是“又愛又恨”!工業界甚至出現是否要使用熱障涂層的十分激烈的爭論!工程師們也百思不得其解,非常簡單的熱傳導問題,非常簡單的估算就十分清楚涂覆熱障涂層后一定會大幅度提高金屬葉片的承溫能力,可實際隔熱效果又確實不佳,尤其在我國又沒有精確的量化說明隔熱效果好或者不好的程度。問題到底出在哪里?

    我們還得從源頭出發進行分析,也就是分析式(1)。仔細觀察發現式(1)隱含著一個重大假設:薄薄的一層熱障涂層不改變燃燒室的流場和溫度場。這個假設對離葉片距離較遠的燃燒室是對的,但在葉片表面附近的區域就完全不正確了,這是因為陶瓷涂層的熱物理性能和金屬的熱物理性能相差十分巨大。也就是說,薄薄的一層陶瓷熱障涂層極大地改變了葉片表面附近的流場和溫度場。即式(1)未能定量考慮氣膜、燃氣的貢獻,同時也極易受到這些環境的影響,使得各種結構、燃氣、冷氣環境下所獲得的熱障涂層隔熱效果差異顯著,從而無法真正認識熱障涂層的貢獻。因此,基于試片的隔熱效果測試結果并不能反映實際渦輪葉片的真實情況,工程師們基于式(1)設計的葉片可能會出問題,基于試驗模擬裝置的試驗結果才更接近實際。

    基于此,Dees等[18]提出了基于熱障涂層應用前后葉片基底表面溫差定義隔熱效果,如式(2):

    ΔT=Tw,e,notbc-Tw,e

    (2)

    式中,Tw,e,notbc是無涂層時基底表面溫度(與燃氣接觸的表面),Tw,e是帶涂層基底表面(涂層/基底界面處)溫度。這種定義直觀地反映了熱障涂層對渦輪葉片基底表面溫度的綜合影響,包括涂層本身帶來的溫度梯度、涂層對熱流的影響與擾動等。

    盡管式(2)給出了應用熱障涂層后渦輪葉片溫度場變化的綜合值,但這一隔熱效果依然受渦輪葉片結構、燃氣、冷氣、氣膜孔等眾多因素的影響,進行熱障涂層隔熱效果分析與設計時需要考慮的因素依然錯綜復雜。為此,Bogard等[7]提出無量綱化的綜合冷卻效率φ,如式(3):


    (3)

    式中T∞和 Tc是渦輪前燃氣入口溫度和冷氣入口溫度,Tw,e 是葉片外表面的壁溫。當加入熱障涂層技術,整體冷卻效率變為φ′,如式(4):


    式中width=32,height=14,dpi=110是涂覆熱障涂層時涂層外表面的壁溫。

    比較式(3)和式(4),可以得到熱障涂層的隔熱效果,如式(5):

    Δφ=φ′-φ

     

    從式(3)和式(4)可以看出,要從理論上獲得Δφ,需要從理論上預測出width=32,height=14,dpi=110和Tw,e。它們決定于燃氣、冷氣、涂層和基底之間的熱交換過程,影響這一過程的主要因素有:燃氣入口溫度T∞、冷氣入口溫度Tc,涂層和基底自由面(實際上是冷卻孔的劈面)的對流換熱系數he 和 hi,涂層和基底的熱導率ktbc、k,涂層和基底的厚度dtbc和d等。考慮到復雜曲面結構葉片對高速燃氣和冷氣的作用,會使得涂層和基底自由面氣流的速度、壓力、溫度、方向等發生變化,這些參數與輸入的燃氣、冷氣都不同且都不均勻。為此,作者團隊假設流場域(燃氣、冷氣)與固體域(涂層、基底)之間換熱發生在熱邊界層,并定義燃氣、冷氣的熱邊界層溫度分別為Te,conv、Ti,conv。基于此,建立了熱障涂層隔熱效果Δφ與這9個參數的函數關系,如式(6)[11]:

    Δφ=f(k,d,ktbc,dtbc,he,hi,T∞-Tc,

    T∞-Te,conv,T∞-Ti,conv)

    (6)

    進一步,基于無量綱分析的π定理,對這9個影響參數進行了分析,獲得相互獨立的5個無量綱化參數為:


    (7)

    (8)


    (9)


    (10)