冷卻氣膜與熱障涂層交界處流場分析

李佳莉， 王玉璋， 王 星

(上海交通大學燃氣輪機研究院，上海 200240)

隨著航空發動機及地面燃機的迅速發展，渦輪高溫葉片入口溫度不斷提高。目前國外新型軍用燃氣渦輪發動機的燃氣溫度已達1538～1871℃，而現役發動機的高溫部件材料許用溫度均在1100℃以下［1，2］。在目前先進燃氣渦輪發動機中，高溫熱防護涂層以及高效冷卻是渦輪葉片防護兩大關鍵技術。先進的熱障涂層能夠在工作環境下降低熱端部件溫度170℃左右［3］。

熱障涂層目前主要的制備工藝是電子束物理氣相沉淀法(EB-PVD)和等離子噴涂(APS)，這兩種方法制備的熱障涂層都是各向異性的非致密多孔狀介質，其孔隙率在5% ～20%之間［4，5］。熱噴涂涂層呈層狀結構，表面比較粗糙;而物理氣相沉淀涂層呈柱狀結構，表面較為光滑，但其孔隙率較高且垂直于涂層基體表面;不同的制備工藝以及長時間服役導致的涂層微孔和微裂紋的變化，會對葉片表面高溫燃氣與冷卻氣膜流場產生不同的影響。

目前對葉片表面流固耦合流場的研究主要是采用傳統的數值模擬從宏觀上求解控制方程，探索冷氣射流和高溫衡流相互摻混的漩渦結構和流場分布形成及發展的影響因素如氣膜孔孔型、孔幾何參數和氣動參數等［6～8］。高溫燃氣及冷卻射流會直接沖擊在涂層表面，而涂層微孔結構尺度大約為10 μm［9］，目前從微觀角度揭示熱障涂層微結構對葉片表面流動特性影響的文獻相對較少。

格子Boltzmann方法(LBM)是20世紀80年代基于分子動理……