涡轮发动机叶片表面涂层技术

来源：塑胶五金网发布时间：2014-12-04 16:26:04点击率：

　　涡轮发动机中通常采用表面涂层技术以降低金属材料内的温度和热力梯度.目前常用的涂层材料，如：氧化锆、陶瓷等，对红外辐射是半透明的。这使得热辐射的作用显著增加，从而降低了绝缘材料的效率近年来，一些学者相继对隔热涂层内的辐射效应进行了研究。Thomas(1992)对柴油发动机陶瓷衬垫内的辐射与导热耦合换热进行了数值模在1996和1997年采用双热流法结合格林函数，并选用两谱带模型，在漫反射条件下模拟了氧化锆隔热涂层内的辐射传递;1997年用多谱带模型取代了两谱带模型，并分析了光学厚度及在涂层内加入不透明的隔热挡板对温度和热流密度的影响;1998年针对外部无辐射热流时的氧化锆隔热涂层，分析了涂层透明和不透明两种情况下的温度分布。

　　本文针对涡轮发动机叶片和燃烧室衬垫的半透明隔热涂层内辐射与导热耦合换热，建立了物理模型、边界离散方程，并考虑各种界面辐射特性效应。采用光线踪迹/节点分析法计算了吸收、各向同性散射性介质内的辐射传递系数，结合控制容积法数值模拟了隔热涂层内的辐射与导热瞬态耦合换热。经与文献中的计算结果比较表明，本文的物理模型、计算方法与计算程序正确、计算精度高。在此基础上，分析了隔热涂层内热辐射对部分暴露于燃烧室热环境下的级叶片和燃烧室衬垫的表面温度、内部温度场和热流密度分布的影响，考察了界面发射率、涂层厚度和界面的反射特性等对热辐射作用大小的影响。

　　2物理模型与控制方程2.1控制方程及离散方程由于隔热涂层一般都非常薄，而其它各方向的尺度远大于其本身的厚度，因此可采用一维模型。由图可见：(1)设涂层不透明，即忽略了涂层内热辐射的传递作用，此时基底内的温度总是低于考虑涂层内热辐射时的温度;(2)基底内的温度随着表面发射率的增加而增加;(3)涂层内部辐射对基底温度分布的影响随发射率的增加而增加，当涂层表面的发射率较小时，可忽略内部辐射的影响。

　　3涂层厚度对温度场的影响边界漫反射，S面(涂层表面)不透明时，考察涂层厚度d从0到2mm连续变化对涂层和基底表面温度的影响。除了d变化及X外，其它计算条件均与图2的相同，数值模拟结果见图3.图中实线考虑了涂层内热辐射的影响(辐射与导热耦合换热);虚线则忽略涂层内的热辐射(纯导热)，只在界面外有表面辐射。由图3可见，面)温度的影响随着涂层厚度的增加，辐射对温度分布的影响越王平阳等：涡轮发动机高温隔热涂层内的传热研究来越大，当d=2.0mm时，考虑涂层内辐射换热时基底表面温度比忽略热辐射时高出约55K.

　　4表面反射特性对温度分布的影响由于级叶片部分暴露于燃烧室的高温环境，因此辐射对该级叶片内温度分布的影响大于对其它各级叶片的影响。分析这一典型情况，考虑燃烧室的高速来流使得涂层表面没有烟灰沉积，即S面半透明，其反射率由Fresnel反射定律计算得出，并考虑表面为镜反射和漫反射两种情况。

　　5结论本文针对涡轮发动机叶片和燃烧室衬垫的半透明隔热涂层内辐射与导热耦合换热，考虑各种界面辐射特性：不透明界面和半透明界面，镜反射和漫反射，建立了物理模型、边界离散方程。采用光线踪迹/节点分析法计算了各向同性散射性介质内的辐射传递系数，结合控制容积法数值模拟了两层平板介质内辐射与导热瞬态耦合换热。经与文献比较表明，本文的物理模型、计算方法正确、计算精度高。

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