[发明专利]燃机和航空发动机热障涂层局部剥落损伤程度的评判方法

说明书

本发明公开了一种燃机和航空发动机热障涂层局部剥落损伤程度的评判方法，包括：一、获取热障涂层隔热陶瓷层局部剥落区域的预估宽度值；二、建立热障涂层隔热陶瓷层局部剥落区域的热流固耦合换热模型；三、确定隔热陶瓷层局部剥落区域的边界服役条件；四、确定不同局部剥落宽度条件下隔热陶瓷层和粘结层的超温系数；五、确定临界失效情况下隔热陶瓷层局部剥落区域的临界局部剥落宽度值。本发明基于热流固耦合换热模型，获得隔热陶瓷层在不同局部剥落宽度条件下的粘结层温度状态，并以其温度场的变化为基准，建立相应的超温系数和失效系数，进而形成热障涂层隔热陶瓷层损伤程度的判定方法，为燃机和航空发动机热障涂层的全寿命管理提供了支撑。

技术领域

本发明属于燃气轮机和航空发动机技术领域，尤其是涉及一种燃机和航空发动机热障涂层局部剥落损伤程度的评判方法。

背景技术

燃气轮机（简称燃机）和航空发动机作为重要的发电和动力装备，广泛应用于清洁能源、电力调峰、船舰动力、空天动力等领域，具有极高的战略地位。为了开发更高效率的重型燃气轮机和航空发动机，需要不断提高燃烧器及透平进口温度，由此将导致燃机和航空发动机高温部件在远超金属允许温度的环境中运行，严重影响高温部件的使用寿命。为了保障高温部件安全稳定服役，延长重型燃气轮机的生命周期，需要在高温部件表面制备热障涂层隔热陶瓷层，以起到隔热、抗腐蚀、抗冲蚀等功能，为高温部件提供热防护，使其温度处于合理范围。

然而，热障涂层隔热陶瓷层隔热陶瓷层在高温、粒子冲蚀等耦合恶劣环境下工作时，不可避免地会产生不同程度的局部剥落，可能会降低热障涂层隔热陶瓷层的热防护性能。因此，热障涂层隔热陶瓷层隔热陶瓷层的结构完整性评价被认为是燃机和航空发动机高温部件热寿命管理的重要一环。研究者们认为，存在一个临界局部剥落尺寸值：当剥落区域小于此值时，热障涂层隔热陶瓷层损伤程度较小，仍然能够为高温部件提供热防护；然而，一旦热障涂层隔热陶瓷层隔热陶瓷层剥落面积大于此值，其热防护性能将急剧退化，导致高温部件超温、烧损失效。目前，工程界从经验出发定义了若干种涂层局部剥落的临界面积占比，比如5%、12%、20%等，但由于缺少理论和模拟支撑，这些临界剥落尺寸尚未得到统一认可，严重制约了对热障涂层隔热陶瓷层服役状态及剩余使用寿命的评估。

综上所述，现有的局部剥落损伤程度的判断方法存在评估方式简单、缺乏理论支撑和模拟分析等缺点，因此，亟须建立起一种热障涂层隔热陶瓷层隔热陶瓷层局部剥落后的损伤程度的判断方法，及时对受损后热障涂层隔热陶瓷层的性能进行有效评估，从而为热障涂层隔热陶瓷层及高温合金叶片的安全服役提供保障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种燃机和航空发动机热障涂层局部剥落损伤程度的评判方法，基于热流固耦合换热模型，获得了隔热陶瓷层在不同局部剥落宽度条件下的粘结层温度状态，并以其温度场的变化为基准，建立了相应的超温系数和失效系数，进而形成了热障涂层隔热陶瓷层损伤程度的判定方法，为燃机和航空发动机高温部件热障涂层的全寿命管理提供了支撑。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：燃机和航空发动机热障涂层局部剥落损伤程度的评判方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、获取热障涂层隔热陶瓷层局部剥落区域的预估宽度值：利用有限元建立热障涂层隔热陶瓷层局部剥落区域的二维分析模型，确定所述热障涂层隔热陶瓷层局部剥落区域的局部剥落宽度；

步骤二、建立热障涂层隔热陶瓷层局部剥落区域的热流固耦合换热模型，过程如下：

步骤201、利用CATIA软件建立典型热部件的二维平面模型，其中，典型热部件的二维平面模型包括固体域平面结构和设置在所述固体域平面结构周向的流体域平面结构，所述固体域平面结构包括由下至上依次设置的高温合金基底、粘结层、以及隔热陶瓷层；

步骤202、利用ANSYS软件的ICEM模块对步骤201中的二维平面模型进行网格划分，并对所述固体域平面结构和所述流体域平面结构的连接处的网格进行加密；