Badanie mechanizmu wpływu powlekania bariery termicznej na efekt chłodzenia łopat turbiny określonej turbiny gazowej
W celu uzyskania działania izolacji termicznej i rozkładu temperatury powłoki bariery termicznej na łopatkach turbinowych jako model podstawowy zastosowano pewien rodzaj turbiny turbiny turbiny z wewnętrzną strukturą chłodzenia. Efekt chłodzenia ruchomego ostrza turbiny o wysokim ciśnieniu z lub bez termicznej ochrony powlekania bariery został obliczony numerycznie metodą sprzęgania ogrzewania gazowego, a wpływ powlekania bariery termicznej na przenoszenie ciepła ostrza badano przez zmianę grubości powlekania bariery termicznej. Badanie wykazało, że po powładzie z powłoką bariery termicznej temperatura ostrza znacznie spadła, im bliżej krawędzi wiodących, tym większy spadek temperatury, a spadek temperatury po stronie ciśnienia był większy niż po stronie ssania; Powłoka barierowa termiczna o grubości 0. 05-0. 2 mm może zmniejszyć średnią temperaturę powierzchni metalu ostrza o stopień 21-49; Wraz ze wzrostem grubości powłoki rozkład temperatury wewnątrz metalu ostrza stanie się bardziej jednolity.
W opracowywaniu turbin gazowych w celu poprawy mocy i wydajności cieplnej silnika wzrasta również temperatura wlotu turbinowego. Ostrza turbiny są poddawane wpływowi gazu o wysokiej temperaturze. Gdy temperatura wlotu turbiny stale rośnie, samo chłodzenie powietrza nie może już spełniać wymagań. Coraz częściej stosuje się powłoki bariery termicznej, jako skuteczny sposób na poprawę odporności na wysoką temperaturę i odporność na korozję materiałów.
Powłoki barierowe termiczne są na ogół przylegane do powierzchni ostrza przez rozpylenie płomienia plazmowego lub osadzanie wiązki elektronów. Mają charakterystykę wysokiej temperatury topnienia i odporności na wstrząs termiczny, co może poprawić zdolność łopat turbinowych do odporności na utlenianie i korozję termiczną, obniżenie temperatury ostrzy i rozszerzanie żywotności usług. Alizadeh i in. badano efekt izolacji termicznej {{0}}. 2 mm powłoki barierowe termiczne przez symulację liczbową sprzęgającą gazową. Wyniki wykazały, że maksymalna temperatura ostrza zmniejszyła się o 19 K, a średnia temperatura zmniejszyła się o 34 K. Prapamonthon i in. Badał wpływ intensywności turbulencji na wydajność chłodzenia łopat powlekania bariery termicznej. Wyniki wykazały, że powłoki barierowe termiczne mogą zwiększyć kompleksową wydajność chłodzenia powierzchni ostrza o 16% do 20% i 8% na krawędzi ostrza. Zhu Jian i in. ustalił jednowymiarowy model w stanie ustalonym dla powlekanych ostrzy z perspektywy termodynamicznej, a teoretycznie analizował i obliczył efekt izolacji termicznej powłok bariery termicznej. Shi Li i in. przeprowadził badanie numeryczne na C3X z powłokami barierowymi termicznymi. Warstwa ceramiczna 0,3 mm może zmniejszyć temperaturę powierzchni ostrza o 72,6 K i zwiększyć kompleksową wydajność chłodzenia o 6,5%. Powłoka barierowa termiczna nie ma wpływu na rozkład wydajności chłodzenia powierzchni ostrza. Zhou Hongru i in. przeprowadził badanie numeryczne na najdalszej krawędzi łopat turbiny z powłokami barierowymi termicznymi. Wyniki wykazały, że powłoki barierowe termiczne mogą nie tylko obniżyć temperaturę roboczą metalowych łopat i gradient temperatury w ostrzach, ale także do pewnego stopnia odpornego na wstrząs termiczny gorących punktów wlotowych. Yang Xiaoguang i in. Obliczył dwuwymiarowy rozkład pola temperatury i naprężenie łopatek prowadzących z powłokami bariery termicznej, podając współczynniki przenoszenia ciepła wewnętrznych i zewnętrznych powierzchni ostrzy. Wang Liping i in. Przeprowadził trójwymiarową analizę sprzęgania gazowego na łopatkach przewodników turbinowych z kompozytowymi strukturami chłodzenia i badał wpływ grubości powłoki i promieniowania gazowego na pole temperatury powłoki. Liu Jianhua i in. Przeanalizowano efekt izolacji termicznej powłok bariery termicznej dla ostrzy chłodzących Mark II z wielowarstwowymi powłokami bariery termicznej poprzez wewnętrzne ustawienie współczynnika przenoszenia ciepła i zewnętrznego sprzężenia gazowego-termicznego.
Metoda obliczeniowa
Model obliczeniowy
Powłoka barierowa termiczna znajduje się między gazem o wysokiej temperaturze a powierzchnią podłoża stopu ostrza i składa się z metalowej warstwy wiązania i warstwy ceramicznej izolacji termicznej. Jego podstawowa struktura pokazano na rycinie 1. Podczas konstruowania modelu obliczeniowego warstwa wiązania o wyższej przewodności cieplnej w strukturze powlekania bariery termicznej jest ignorowana i zatrzymuje się tylko warstwa ceramiczna izolacji termicznej o niższej przewodności cieplnej.
Ryc. 2 pokazuje model ostrza po powleczeniu powłoką bariery termicznej. Ostrze zawiera wielokanałową obrotową konstrukcję chłodzenia, z dwoma otworami chłodzącymi do spalania na krawędzi przedni, środkową strukturą szczelinową na krawędzi spływu i konstrukcją rowka w kształcie litery H. Powłoka barierowa termiczna jest rozpryskiwana tylko na korpusie ostrza i dolnej powierzchni płyty krawędzi. Ponieważ temperatura poniżej korzenia ostrza jest niska i nie jest przedmiotem badań, w celu zmniejszenia liczby siatek obliczeniowych, część poniżej korzenia jest ignorowana podczas ustawiania modelu obliczeniowego, a model domeny obliczeniowej pokazany na rycinie 3 jest konstruowany.
Metoda obliczeń numerycznych
Wewnętrzna geometria ostrza chłodzącego turbinę jest stosunkowo złożona i trudno jest użyć strukturalnych siatków. Zastosowanie nieustrukturyzowanych siatek znacznie zwiększa ilość obliczeń. W związku z tym w niniejszym dokumencie wykorzystuje generator siatki wielościennej do łączenia ostrza i gazu. Podział siatki, model siatki pokazano na rycinie 4.
W modelu obliczeniowym grubość powłoki barierowej termicznej jest wyjątkowo mała, mniejsza niż 1/10 grubości ściany ostrza. Z tego powodu w niniejszym dokumencie wykorzystuje cienki generator siatki, aby podzielić powłokę barierową termiczną na trzy warstwy wielokątnych siatek pryzmatycznych. Liczba cienkich warstw siatki została zweryfikowana jako niezależna, a liczba cienkich warstw siatki prawie nie ma wpływu na pole temperaturowe ostrza.
Domena płynów przyjmuje zrealizowany model dwuparowlowy K-Epsilon w modelu turbulencji RANS (RANS). Ten model zapewnia większą elastyczność w przetwarzaniu siatki całej ściany Y+. Może nie tylko dobrze obsługiwać drobne siatki (tj. Niski typ liczby Reynolds lub niskie siatki Y+), ale także obsługiwać siatki pośrednie (IE, 1 ＜ Y+ ＜ 30) w najdokładniejszy sposób, co może skutecznie zrównoważyć stabilność, koszt obliczeniowy i dokładność.
Warunki brzegowe
Wlot gazu jest ustawiony jako wlot stagnacji ciśnienia, wlot powietrza chłodzącego jest wlotem przepływu masowego, a wylot jest ustawiony jako statyczny wylot ciśnieniowy. Powierzchnia powłoki w kanale gazowym jest ustawiona jako powierzchnia sprzęgła płynu, powłoka i powierzchnia metalu ostrza są ustawione jako interfejs stały, a dwie strony kanału są ustawione jako okres obrotu. Zarówno zimny gaz, jak i gaz są gazami idealnymi, a pojemność cieplna gazu i przewodność cieplna ustawiono przy użyciu wzoru Sutherland. Odpowiednie warunki brzegowe obliczeniowe wynoszą: całkowite ciśnienie głównego nurtu wlotu kanału gazowego wynosi 2,5 MPa, rozkład temperatury wlotowej z gradientem temperatury promieniowej pokazano na rycinie 5, szybkość przepływu zimnego gazu w ostrzu wynosi 45 g/s, całkowita temperatura wynosi 54 0, a nacisk o 0,9 MPA. Materiał ostrzy jest na bazie niklu stopu w wysokiej temperaturze, a przewodność cieplna materiału zmienia się wraz z temperaturą. Jeśli chodzi o istniejące materiały, powłoki barierowe termiczne zasadniczo wykorzystują stabilne materiały tlenku cyrkonu YTTRIA (YSZ) lub tlenku cyrkonu (ZRO2), których obliczeniu niewiele zmienia się w temperaturze, więc przewodność cieplna jest ustawiona na 1,03 W/(m · k).
2 Analiza wyników obliczeń
2.1 Temperatura powierzchni ostrza
Ryciny 6 i 7 pokazują rozkład temperatury powierzchni niepowlekanego ostrza i rozkład temperatury powierzchni metalowej ostrza odpowiednio przy różnych grubościach powłoki. Można zauważyć, że w miarę wzrostu grubości powłoki temperatura powierzchni metalu ostrza stopniowo maleje, a prawo rozkładu temperatury powierzchni metalowej ostrza o różnych grubościach jest zasadniczo taka sama, temperatura na środku powierzchni ciśnienia jest niższa, a temperatura na końcówce ostrza. Końcówka ostrza jest zwykle najtrudniejszą częścią całego ostrza do ostygnięcia, a żebra rowka na końcówce ostrza są trudne do bezpośredniego ochłodzenia zimnym powietrzem. W modelu obliczeniowym powłoka obejmuje tylko powierzchnię ciała ostrza, a końcówka ostrza nie jest pokryta powłoką. Nie ma wpływu barierowego na ciepło ze strony gazowej końcówki ostrza, więc zawsze istnieje powierzchnia wysokiej temperatury na końcówce ostrza.
Rycina 8 pokazuje krzywą średniej temperatury powierzchni metalu ostrza zmieniającego się wraz z grubością. Można zauważyć, że średnia temperatura powierzchni metalu ostrza zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości powłoki. Wynika to z faktu, że przewodność cieplna powłoki barierowej jest niska, co zwiększa oporność cieplną między gazem o wysokiej temperaturze a bicie metalowym, skutecznie zmniejszając temperaturę powierzchni metalu ostrza. Gdy grubość powłoki wynosi 0. 0 5 mm, średnia temperatura korpusu ostrza zmniejsza się o 21 stopni, a następnie wraz ze wzrostem grubości powlekania bariery termicznej, temperatura powierzchni ostrza trwa; Gdy grubość powłoki wynosi 0,20 mm, średnia temperatura ciała ostrza zmniejsza się o 49 stopni. Jest to zasadniczo zgodne z efektem izolacji termicznej mierzonej przez Zhanga Zhiqiang i in. Poprzez test efektu zimnego.
Rycina 9 jest krzywą pokazującą zmianę temperatury powierzchni odcinka ostrza wzdłuż długości akordu osiowego. Jak widać na rycinie 9, pod różnymi grubościami powłok bariery termicznej, trend zmiany temperatury wzdłuż długości akordu osiowego jest zasadniczo taki sam, a temperatura powierzchni ssania jest znacznie wyższa niż temperatura powierzchni ciśnienia. W kierunku długości akordów osiowych temperatura powierzchni ciśnienia i powierzchnia ssąca najpierw zmniejsza się, a następnie wzrasta, i istnieje pewna fluktuacja w obszarze krawędzi wybiegającej, która jest spowodowana strukturalną postacią rozdzielonego chłodzenia sprayu na środku krawędzi. Jednocześnie temperatura ostrza powleczonego powłoką bariery termicznej znacznie spada, a spadek temperatury na powierzchni ssania jest znacznie większa niż na powierzchni ciśnienia. Spadek temperatury stopniowo spada z krawędzi wiodących do krawędzi spływu, a im bliżej krawędzi wiodącego ostrza, tym większy spadek temperatury.
Jednomierność temperatury metalu ostrza wpływa na poziom naprężenia termicznego ostrza, więc ten papier wykorzystuje wskaźnik jednorodności temperatury do pomiaru jednolitości temperatury ostrza stałego. Wskaźnik jednolitości temperatury:
Gdzie: C jest objętością każdej jednostki, T- jest średnią objętościową TC, Tc jest wartością temperatury w jednostce siatki, a VC to objętość jednostki siatki. Jeśli pole temperatury objętości jest równomiernie rozłożone, wskaźnik jednolitości objętości wynosi 1. Jak widać na rysunku 1 0, po rozpyleniu powłoki barierowej termicznej, jednolitość temperatury ostrza jest znacznie poprawia. Gdy grubość powłoki wynosi 0. 2 mm, wskaźnik jednolitości temperatury ostrza wzrasta o 0,4%.
2.2 Temperatura powierzchni powłoki
Zmiana temperatury powierzchni powłoki pokazano na rycinie 11. Jak można zobaczyć na rycinie 11, wraz ze wzrostem grubości powłoki temperatura powierzchni powlekania bariery termicznej stale rośnie, co jest dokładnie przeciwieństwem średniego trendu zmiany temperatury powierzchni ostrza. W miarę wzrostu oporu termicznego w kierunku grubości powłoki różnica temperatur między powierzchnią powłoki a powierzchnią ostrza stopniowo wzrasta, a skumulowane ciepło na powierzchni jest trudniejsze do rozproszenia do metalowego ostrza. Gdy grubość powłoki wynosi 0. 20 mm, różnica temperatury między wnętrzem a zewnętrzną powłoką osiąga stopień 86.
2.3 Temperatura przekroju ostrza
Rycina 12 pokazuje rozkład temperatury wiodących i trwających krawędzi ostrzy z powłokami bariery termicznej i bez nich. Po powleczeniu powierzchni powłokami barierowymi termicznie temperatura przekroju ostrza jest znacznie zmniejszona, a gradient temperatury jest złagodzony. Wynika to z faktu, że po zastosowaniu powłoki barierowej termicznej gęstość strumienia ciepła w powładzie jest zmniejszona. Jednocześnie, ponieważ materiał powłoki barierowej termicznej ma niską przewodność cieplną, zmiany temperatury w solidnym powładzie bariery termicznej są bardzo drastyczne.
Skontaktuj się z nami
Dziękujemy za zainteresowanie naszą firmą! Jako profesjonalna firma produkcyjna części turbin gazowych będziemy nadal zaangażować się w innowacje technologiczne i poprawę usług, aby zapewnić bardziej wysokiej jakości rozwiązania dla klientów na całym świecie. Jeśli masz jakieś pytania, sugestie lub intencje współpracy, z przyjemnością Ci pomożemy. Skontaktuj się z nami na następujące sposoby:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
