恶化的热障涂层涡轮叶片的侵蚀

文摘

结合实验和计算研究探讨侵蚀热障涂层(TBC)叶片表面的氧化铝粒子在单级涡轮摄入。进行了试验研究,测试来确定粒子侵蚀率和不同影响条件下恢复特征。实验结果表明,与撞击角增加侵蚀率增加,影响速度,和温度。在计算模拟,建立了两阶段的方法用于获得数值解三维可压缩Reynolds-Averaged n - s方程和粒子运动方程在每个叶片通道参考系。用户定义函数(udf)是代表实验相关性为基础粒子表面相互作用模型和TBC的侵蚀率模型。udf中采用三维粒子轨迹模拟来确定粒子反弹特征和TBC)在叶片表面侵蚀率。计算结果给出了在一个商业涡轮和NASA-designed汽车涡轮。侵蚀模式在这两个之间的相似之处讨论涡轮均匀粒子摄入和粒子摄入的5%集中在内部和外部静叶片跨度代表流燃烧室衬套的冷却。

1。介绍

燃气涡轮发动机涡轮机械侵蚀出现一个具有挑战性的问题,当操作在尘土飞扬的环境中(1- - - - - -3]。一些机制,导致粒子摄入(a)涡在大功率发动机inlet-to-ground设置飞机跑道上站立或移动;(b)风暴运输沙子几千英尺高度;(c)推力反向器流入速度低飞机吹砂,冰,和其他粒子引擎入口。腐蚀性固体颗粒也可能产生在燃烧过程中,燃烧的不同类型的重油或合成燃料。直升机引擎尤其容易受到大量的灰尘和沙子摄入在盘旋,起飞和降落。

很难删除所有固体颗粒从气流不征税燃气涡轮发动机的性能(4,5]。甚至一到30微米大小的小颗粒被认为是非常有害的接触组件的燃煤发电机(6]。在涡轮机械,已知粒子的影响增加提示间隙和叶片表面粗糙度和生产叶片的变化主要和后缘7]。因为TBC的侵蚀是有害的涡轮叶片的热保护,它已被确定为一个燃气轮机上来说是因素(8- - - - - -10]。与使用的不断增加热障技术保护高度和旋转涡轮组件加载11),还需要进一步的研究来支持延长寿命的热保护。

不同的流程组合,如切割、疲劳、脆性断裂和熔化机制提出了治理材料去除的侵蚀。根据叶片合金和涂层材料的实验研究,其侵蚀率受影响粒子速度和撞击角度和操作温度(3]。实验表征材料的耐腐蚀性需要特殊的设备,控制particle-laden示例来实现所需的绕流影响条件的测试样品(12]。之前TBC的侵蚀试验结果表明,电子beam-physical蒸汽沉积(EB-PVD) TBC的侵蚀率一个数量级小于等离子喷涂(PS)确认,增加线性粒子冲击速度(13,14]。粒子表面影响的实验研究也需要提供粒子反弹特征在撞击条件的范围中遇到透平机(3,7]。

涡轮机叶片的侵蚀是影响转速和流量条件下,叶片几何和叶片排位置,刀片材料,和粒子特征(3,7]。在两相流条件下,气体和粒子经历不同程度的通过叶片通道。偏离气流路径随粒子的惯性导致重复的影响与各种表面。粒子的表面影响改变方向和速度,以及他们分布在随后的阶段。实验研究,模拟发动机的条件环境腐蚀性粒子影响叶片涂料发展至关重要。相关的叶片表面侵蚀需要知识的粒子三维轨迹和统计各种发动机表面的影响除了表面材料的影响条件下的腐蚀行为。

轨迹模拟是基于粒子的运动方程的数值积分连续通过涡轮机械静止和旋转叶片的行。模拟需要三维流场和叶片通道几何图形作为模型输入和粒子返还条件后每个表面的影响。粒子轨迹的基础在拉格朗日与透平机仍然是一种模拟粒子之间的耦合和流15,16]。目前三维雷诺平均n - s方程的流场解湍流通过叶片通道(16)用于涡轮机械轨迹模拟。

哈米德和Tabakoff17)开发了一种方法来预测涡轮机叶片表面侵蚀使用叶片表面影响统计数据计算粒子轨迹模拟基于叶片材料腐蚀测试结果和相关性。它被用于预测叶片的侵蚀在轴向和径向压缩机和涡轮机(3和侵蚀的涡轮叶片涂层为汽车和地面燃气轮机开发应用程序。

在目前的工作中,结合实验和数值进行了调查研究恶化热障涂层涡轮叶片的冲蚀的粒子。实验测量了EB-PVD 7 ysz-coated INCO718优惠券在高温氧化铝粒子隧道不同影响条件下的侵蚀。测量粒子也获得了赔偿特征在不同影响的角度相对于涂层样品使用粒子图像测速技术(PIDV)位移。实验测量表面侵蚀和粒子归还被用来开发经验流失,恢复模型。三维流场的数值模拟和粒子轨迹结合实验基础表面相互作用模型预测TBC的侵蚀在定子和转子叶片表面的单级商业燃气轮机和NASA汽车涡轮设计。TBC的涂层刀片侵蚀模式和最大侵蚀的位置被发现是相似的。并给出了三维粒子轨迹通过NASA-designed涡轮叶片通道”来形容这些侵蚀产生的机制模式。叶片表面区域受到反复冲击最高粒子速度显示配合的位置最大TBC的侵蚀率。

2。实验工作

测试进行了侵蚀()INCO718优惠券涂EB-PVD 7 ysz的范围由不同大小的氧化铝粒子的影响条件。优惠券是安装在一个示例持有人并放置在指定的角度高温侵蚀风洞示意图见图1并受侵蚀的校准质量的粒子。持有人的保护除了一个目标优惠券表面暴露于粒子的影响。样本重侵蚀前后测试来确定减肥由于粒子侵蚀的影响。

辛辛那提大学(加州大学)侵蚀风洞(12示意图见图1包含以下组件:粒子支线(A),主供气管(B),燃烧器(C),粒子预热器(D),粒子注入器(E),加速隧道(F),测试区(G)、排气槽(H)。磨料粒子的选区和测量重量放在粒子支线(A)。粒子被送入一个二次空气源和吹到粒子预热器(D),然后注入器(E),在那里他们与主供气(B),混合加热的燃烧室(C),粒子然后通过高速空气加速常数区域蒸汽冷却管(F)和影响标本在测试部分(G)。然后与冷却剂混合颗粒流和导演排气槽。从图可以看出1隧道,隧道几何是不间断的加速度测试区中为了保持流动的空气动力学通过样本。粒子速度的影响与隧道气流校准,而通过样品的粒子撞击角控制方向。测量质量的颗粒送入流测试后样品达到平衡温度。

腐蚀速率,在毫克/ g的比率被定义为测量涂层样品侵蚀质量损失,腐蚀性影响粒子表面的质量,从隧道,这是确定校准根据样本容量和撞击角(18]: 测量粒子后归还特征影响涂层优惠券在第二隧道配备光学窗口在测试部分记录粒子轨迹在室温下使用高速摄影方法。幻影高速数码相机(模型9.1 V)与尼康镜头用于相粒子轨迹。相机的最大帧速度50000 fps,但27000帧每秒的帧率(37μ年代间隔)和分辨率是合适的光强度从250 mW Spectra-Physics获得激光源(454 - 676 nm波长)。指图2,激光板厚度是1.65毫米和50毫米的高度兴趣和帧的曝光时间可以设置为低至3μ年代。相机连接到电脑,它的图形用户界面(GUI)软件是用于设置帧速度和分辨率,专注于一个参考点后在激光表记录的图像。

粒子的大小和方向的影响,反弹速度测量的平面激光表。的和在每一帧粒子的坐标确定使用幻电影观众图像处理软件。通过比较连续的图像,粒子的轨迹计算使用粒子图像测速技术(PIDV)位移技术(19- - - - - -21]。25.4毫米的形象标志作为参考长度之间的实际距离粒子旅行提供连续的帧,如图3。粒子速度,计算是基于两个连续帧之间的时间: 在哪里=连续帧之间的时间,秒,=每秒的帧数,=粒子速度,=两个连续帧之间的实际距离的粒子,=实际长度基准标记的测试部分,=距离由粒子从像素计数,获得=基准标记的长度从像素计数。

速度和方向返还系数测定从三个连续帧的兴趣以排除postimpact隧道流对反弹粒子轨迹的影响。误差估计结果的高速摄影进行使用t分配方法(21和95%置信区间)。

3所示。计算工作

使用ANSYS数值模拟进行了排名12 (22)三维流场计算和相关的26微米粒子轨迹在一个单级燃气轮机。拉格朗日两个阶段的,单向粒子交互模型的方法是使用,因为通常粒子浓度低的燃气涡轮机。

点态V16 [23代码是用于生成结构化网格计算定子和转子叶片通道的单级涡轮。椭圆解算器是用于提高网格质量特别是高转子叶片通道。图4展示了三维H-O计算网格中使用NASA-designed涡轮流场和粒子动力学模拟。网格大小是基于我们的经验在大型商业引擎[16]。叶片通道表面附近的网格是集群来实现的在第一个网格点旁边的表面。

三维流场的解决方案是可压缩雷诺平均n - s方程的获得和保护形式基于Shear-Stress-Transport (SST)模型。海面通量进行评估使用ANSYS中的高分辨率的方案只12 (22]这是二阶准确收敛标准的10⁻⁵RMS残留。因为粒子速度非常高的涡轮尤其是在从转子叶片表面反弹影响,湍流随机效应可以忽略不计,在粒子是由空气动力阻力由于粒子速度滑移速度相对于气体。

总压强,温度总进口和流向被指定在进口边界和统一的平均静压是在周期性的出口边界接口指定边界条件在定子和转子叶片通道中调用。混合平面模型用于定子转子接口。粒子进入涡轮的模拟进行了相同的方向入口气体流量但入口气体速度的值为50%。

名义上26微米腐蚀性氧化铝粒子被认为是摄取在同一温度的气体流入。对流传热系数基于ANSYS排名12 (22)相关代表了相间能量交换。粒子轨迹计算使用了集成和考虑到动量和热量交换和基于三维流场流动的解决方案。粒子追踪集成时间步长选择本地元素长度规模除以粒子速度除以100集成步骤每个元素22]。

粒子表面交互建模是基于实验数据获得TBC的涂层样品通过一系列影响条件的氧化铝粒子。赔偿和侵蚀预测经验模型在ANSYS中实现排名12 (22)用户定义函数。

4所示。结果和讨论

4.1。实验结果

图5展示了样本的实验测量结果侵蚀率变化与粒子撞击角度10毫升EB-PVD 7 ysz涂布INCO718样本和样本的INCO 718衬底1093°C (2000°F)温度和365.8米/秒(1200英尺/秒)影响速度。EB-PVD TBC的涂料的最大侵蚀速率发生在90°撞击角而INCO衬底之间发生20°-30°分别为典型的脆性和韧性材料冲蚀行为。可以看到从图6(一)名义上的26μ米,质量意味着腐蚀性氧化铝粒子与尖角有角形状。粒子大小分布如图6 (b)。

数据7和8目前的实验结果为EB-PVD TBC的侵蚀率变化与撞击角在982°C (1800°F),和871°C (1600°F),分别。根据这些结果侵蚀率增加与温度和粒子撞击角度影响速度。这是符合TBC的侵蚀影响测试结果在90°角由Tabakoff(在之前的调查中13)和尼科尔斯et al。14]。基于以下实验TBC的侵蚀率相关性实现在UDF和用ANSYS排名1222)计算确认刀片表面侵蚀率: 在哪里=粒子撞击角度、弧度=粒子冲击速度米/秒,=速度指数,=测试温度,°C。

几个帖子侵蚀测试样本检查使用扫描电子显微镜对posterosion粒子沉积进行调查。样本结果呈现在图9预处理和posterosion测试样品。粒子沉积在posterosion很少观察到测试样品,posterosion如图所示1000放大图像。

实验结果被用来推导粒子速度和角度恢复系数和作为一个粒子撞击角的函数: 在哪里=粒子撞击角弧度。

然而,ANSYS排名1222)需要用户定义函数的形式返还系数是正常和切向受影响的表面。实验的相关性(4),因此用于计算正常和切向恢复系数和呈现在图10使用以下公式:

4.2。计算结果

三维流场数值模拟,粒子轨迹,TBC刮刀涂布侵蚀进行了单级涡轮和商业NASA-designed汽车涡轮的几何和操作特征在公共领域中列出的表1和2。可比这两个涡轮入口气体温度尽管商业涡轮的轴功率高。

马赫数地毯情节在50%商业涡轮叶片跨度和NASA设计涡轮呈现在图11。马赫数轮廓在每个叶片的参考系行显示在美国宇航局略高值设计涡轮叶片通道。

样本的预测结果TBC的侵蚀率每单位质量吸收粒子数据中提供的两个涡轮机12通过15均匀粒子加载然后粒子摄入本地化的燃烧室冷却流附近的内部和外部跨度的5%。

图12显示了热障涂层腐蚀预测利率商业发电机的定子和转子叶片表面。图显示的侵蚀率相对较低,热障涂层的压力面静叶片前缘。地区的高TBC)可以看出定子和转子叶片吸力面。TBC的侵蚀率高主要是封闭的后缘外半径向定子吸力面和转子前缘吸力面。

图13显示了热障涂层腐蚀率计算商业涡轮定子和转子叶片表面的粒子播种时只在5%的中心附近的跨度和裹尸布。TBC的侵蚀在定子吸力面是发生几乎完全沿着这些薄的乐队。侵蚀率最高的套管后缘向定子叶片吸力面和裹尸布对转子叶片的前缘吸力面与前面的结果一致的粒子摄入。然而,可以看到TBC的侵蚀的地区的尾部的尖端部分定子表面的压力。通常归因于对象的影响粒子继续轴向摄入速度进入定子叶片通道。

数据14和15现在NASA的热障涂层腐蚀率计算设计涡轮定子和转子叶片表面的均匀粒子播种(图14内粒子播种)和5%的中心附近的跨度和裹尸布(图15)。在这两种情况下,侵蚀率最高被认为发生在转子叶片吸力面裹尸布接近前缘和定子叶片吸力面附近的套管后缘。这些模式类似于那些在商业涡轮(数字的情况下预测12和13)。TBC的侵蚀率很低的地区的外半径在定子侧的压力。指图11可以看到,这些相关的低角度将NASA-designed涡轮定子商业相比涡轮,而只粒子影响定子表面的压力。在粒子的情况下播种在定子叶片寿命的5%(图15)、低腐蚀率被认为在定转子压力面区域的吸力面附近,跟踪particle-ingested内半径。

图16显示25个样本轨迹颜色轮廓线的速度26微米级氧化铝粒子粒子播种在NASA设计涡轮对应于5%的中心附近的跨度和裹尸布。粒子被认为进入定子和大多数粒子在定子叶片通道继续沿着自己的道路与叶片表面的相互作用可以忽略不计。然而当他们进入转子叶片通道,他们影响转子叶片前缘吸力面。粒子反弹高圆周速度后转子叶片吸力面影响,立即驱使他们射出,回到静叶片通道。

图17是一个示意图显示粒子的影响发生的原因对转子叶片的前缘吸力面。根据相对和绝对速度矢量图17,当粒子留给静叶片行绝对速度低于天然气由于其低摄入速度或由于动量损失与定子侧压力的影响。粒子被认为进入转子叶片通道与负迎角旋转参照系,因此转子表面吸他们的影响。这些粒子反弹的转子叶片吸力面附近的前缘和非常高的速度绝对参考系。导致他们在径向向外离心方向当他们重返定子叶片通道和影响其吸力面附近的后缘。几个粒子的重复这个影响模式,因此这种现象占据了TBC的侵蚀率在叶片表面之前在图所示12通过15。这些粒子最终继续轨迹通过转子的high-turning叶片通道和影响转子叶片的压力和吸力面。但是他们的影响导致轻微TBC的侵蚀率,因为他们的低强度相对于转子叶片速度。

表3列出了相应的局部最大值TBC的侵蚀率在每种情况下以及计算整体TBC的定子和转子叶片的侵蚀率。可比侵蚀率预计在两个涡轮机除了更高的整体NASA设计汽轮机静叶片TBC的侵蚀。比较数据13和15可以观察到更大的区域之一TBC的侵蚀率高的定子吸力面NASA-designed涡轮机。这可以归因于一个更高比例的摄取粒子反弹NASA-designed high-solidity叶片的涡轮机。指表1转子,定子叶片间距3.8倍螺距NASA-designed涡轮机。另一方面,定子叶片间距只有商业涡轮转子叶片间距1.45倍。否则,类似侵蚀模式与粒子轨迹的关联的两个涡轮机高绝对反弹速度从转子吸力面影响。

5。结论

结合实验和计算研究调查TBC的恶化在涡轮定子和转子叶片表面由于固体粒子侵蚀的影响。侵蚀测试进行INCO718优惠券涂有10毫升名义7 ysz EB-PVD TBC的范围由26微米氧化铝粒子的影响条件。实验结果给出了测量TBC的涂层和底物侵蚀率和氧化铝粒子影响TBC-coated样本后归还。测量表明,EB-PVD TBC的侵蚀率与撞击角增加,影响速度,和温度。正常和切向速度恢复系数角被发现减少而增加的影响。Experimental-based关系推导和实现用户自定义函数中被使用的粒子轨迹模拟与叶片TBC侵蚀预测。

三维计算结果在一个单级商业和NASA-designed压缩机驱动汽轮机表明侵蚀模式相似的两个TBC的侵蚀率高的涡轮壳的后缘定子叶片吸力面和裹尸布对转子叶片的前缘吸力面。通过美国宇航局预测三维粒子轨迹设计涡轮的高侵蚀率结果表明负入射粒子的入射角度的转子参考系,导致它们影响转子吸力面附近的前缘及其后续高绝对反弹速度他们获得从这些影响。随后粒子反弹到定子叶片排通道和影响定子叶片吸力面附近的后缘。

确认

这项工作是由美国国家航空和宇宙航行局NNX07AC69A下合同。作者也要感谢扩大Tabakoff博士在这项研究中对他的支持和建议。

引用

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