Вивчення механізму впливу теплового бар'єрного покриття на охолоджуючу дію лопатей турбіни певного типу газової турбіни
Для отримання теплоізоляційного ефекту та закону про розподіл температури теплового бар'єрного покриття на лопаті турбіни було використано певний тип турбінної турбіни з високим тиском з внутрішньою структурою охолодження, було використано в якості основної моделі. Охолоджуючий ефект рухомого леза турбіни високого тиску з захистом теплового бар'єрного покриття або без нього було чисельно обчислюється методом з’єднання газового нагрівання, і вплив теплового покриття теплового тепла вивчався за рахунок зміни товщини теплового бар'єрного покриття. Дослідження виявило, що після покриття тепловим бар'єрним покриттям температура леза значно знизилася, чим ближче до переднього краю, тим більше температурного падіння, а падіння температури на стороні тиску було більшим, ніж на стороні всмоктування; Термічне бар'єрне покриття з товщиною 0. 05-0. 2 мм може знизити середню температуру поверхні леза на 21-49 градус; Зі збільшенням товщини покриття, розподіл температури всередині металу леза стане більш рівномірним.
У розвитку газових турбін, щоб покращити потужність та теплову ефективність двигуна, температура входу турбіни також збільшується. Лопатки турбіни піддаються впливу високотемпературного газу. Коли температура на вході турбіни продовжує зростати, поодинці охолодження повітря вже не може відповідати вимогам. Термічні бар'єрні покриття, як ефективний засіб для поліпшення високої температурної стійкості та корозійної стійкості матеріалів, все частіше використовуються.
Термічні бар'єрні покриття, як правило, прилягають до поверхні леза шляхом розпилення полум'я плазми або осадження електронного променя. Вони мають характеристики високої температури плавлення та стійкість до теплового удару, що може покращити здатність лопатей турбіни протистояти окисленню та теплової корозії, знижувати температуру леза та продовжити термін служби лопатей. Alizadeh et al. вивчав ефект теплоізоляції {{0}}. 2 мм теплового бар'єрного покриття за допомогою чисельного моделювання зчеплення газового тепла. Результати показали, що максимальна температура леза знизилася на 19 К, а середня температура знизилася на 34 К. Прапамонтон та ін. вивчав вплив інтенсивності турбулентності на ефективність охолодження лопатей теплового бар'єрного покриття. Результати показали, що теплові бар'єрні покриття можуть підвищити комплексну ефективність охолодження поверхні леза на 16% до 20% та 8% на кінці леза. Чжу Цзян та ін. Встановив одновимірну стаціонарну модель для лопатей з покриттям з термодинамічної точки зору, а теоретично проаналізовано та обчислила теплоізоляційний ефект теплового бар'єрного покриття. Ши Лі та ін. провів числове дослідження на C3X з тепловими бар'єрними покриттями. Керамічний шар 0,3 мм може знизити температуру поверхні леза на 72,6 К і підвищити комплексну ефективність охолодження на 6,5%. Термічне бар'єрне покриття не впливає на розподіл ефективності охолодження поверхні леза. Чжоу Гонру та ін. провів числове дослідження на передньому краю лопатей турбін з тепловими бар'єрними покриттями. Результати показали, що теплові бар'єрні покриття можуть не тільки знизити робочу температуру металевих лопатей та градієнт температури всередині лопатей, але й певною мірою протистояти термічному шоку гарячих точок впускних точок. Ян Сяогуанг та ін. Обчислив двовимірне розподіл температурного поля та напруження направляючих лопатей з тепловими бар'єрними покриттями, надаючи коефіцієнти теплопередачі внутрішніх та зовнішніх поверхонь лопатей. Wang Liping та ін. провів тривимірний аналіз газо-термного з'єднання на турбінних направляючих ловом із композиційними структурами охолодження та вивчав ефекти товщини покриття та випромінювання газу на температурному полі покриття. Лю Цзянхуа та ін. проаналізував теплоізоляційний ефект теплового бар'єрного покриття для охолоджувальних лопатей Mark II з багатошаровими тепловими бар'єрними покриттями шляхом внутрішнього встановлення коефіцієнта теплопередачі та зовнішнього газо-термічного з'єднання.
Метод розрахунку
Обчислювальна модель
Термічне бар'єрне покриття розташоване між високотемпературним газом і поверхнею підкладки з сплаву леза, і складається з металевого шару, що склався, і керамічного шару теплоізоляції. Основна структура показана на малюнку 1. При побудові моделі розрахунку шар з більш високою теплопровідністю в структурі термічного бар'єрного покриття ігнорується, і зберігається лише теплоізоляційний керамічний шар з нижчою теплопровідністю.
На малюнку 2 показана модель леза після покриття тепловим бар'єрним покриттям. Лезо містить багатоканальну поворотну структуру охолодження, з двома отворами охолодження вихлопних плівок на передньому краю, середньою щілинною структурою на кінці кінця та структурою канавки у формі Н на верху леза. Термічне бар'єрне покриття лише розпорошується на корпус леза та поверхню нижньої крайньої пластини. Оскільки температура нижче кореня леза низька і не є фокусом досліджень, для зменшення кількості обчислювальних сітків, частина нижче кореня ігнорується при встановленні обчислювальної моделі, і побудована модель обчислювальної домену, показана на малюнку 3.
Метод чисельного розрахунку
Внутрішня геометрія леза охолодження турбіни порівняно складна, і важко використовувати структуровані сітки. Використання неструктурованих сітків значно збільшує кількість обчислення. У зв'язку з цим у цьому документі використовується генератор полігедричної сітки для поєднання леза та газового домену. Дивізіон сітки, модель сітки показана на малюнку 4.
У моделі розрахунку товщина теплового бар'єрного покриття надзвичайно мала, менше 1/10 товщини стінки леза. З цієї причини в цьому документі використовується тонкий сітчастий генератор для розділення теплового бар'єрного покриття на три шари багатокутних призматичних сітків. Кількість тонких сітчастих шарів була перевірена незалежною, а кількість тонких сітчастих шарів майже не впливає на температуру леза.
Домен рідина приймає реалізовану двошарову модель K-Epsilon в моделі турбулентності рівнянь Рейнольдсейндсерації Нав'є-Стокса (RANS). Ця модель забезпечує більшу гнучкість для обробки сітки всієї стіни Y+. Він може не лише обробляти тонкі сітки (тобто низький тип числа Рейнольдса або низькі сітки y+) добре, але й обробляти проміжні сітки (тобто 1 ＜ y+ ＜ 30) найбільш точним способом, що може ефективно збалансувати стабільність, обчислювальну вартість та точність.
Граничні умови
Вхід газу встановлюється як загальний вхід в застій тиску, вхід охолодження - це вхід масового потоку, а вихід встановлюється як статичний вихід тиску. Поверхня покриття в газованому каналі встановлюється у вигляді рідкої міцної зчеплення, покриття та поверхня металу леза встановлюються як твердий інтерфейс, а дві сторони каналу встановлюються як період обертання. І холодний газ, і газ є ідеальними газами, а теплоємність газу та теплопровідність встановлюються за допомогою формули Сазерленда. Відповідними граничними умовами розрахунку є: загальний тиск основного входу газового каналу становить 2,5 МПа, розподіл температури входів з радіальним градієнтом температури показаний на рисунку 5, швидкість потоку входу холодного газу холодного каналу в лезі становить 45 г/с, загальна температура становить 54 0 градус, а вихідний тиск становить 0,9 МПа. Матеріал леза-це монокристалічний високотемпературний сплав на основі нікелю, а теплопровідність матеріалу змінюється з температурою. Що стосується існуючих матеріалів, то термічні бар'єрні покриття, як правило, використовують стабільні матеріали оксиду цирконію (YSZ) або оксид цирконію (Zro2), теплопровідність яких мало змінюється при температурі, тому теплопровідність встановлюється на 1,03 Вт/(м · к) в обчисленні.
2 Аналіз результатів розрахунку
2.1 Температура поверхні леза
На малюнках 6 і 7 показано розподіл температури поверхні без покриття леза та розподіл температури поверхні металу з різною товщиною покриття відповідно. Видно, що в міру збільшення товщини покриття температура поверхні металу поступово зменшується, а закон розподілу температури металевої поверхні леза при різній товщинах в основному однакова, температура в середині поверхні тиску нижча, а температура на кінчику леза вища. Наконечник леза, як правило, є найскладнішою частиною всього леза для охолодження, а ребра на кінчику леза важко охолонути холодним повітрям. У моделі розрахунку покриття покриває лише поверхню тіла леза, а наконечник леза не покривається покриттям. Немає бар'єрного впливу на тепло з газової сторони кінчика леза, тому висока температура на кінчику леза завжди існує.
На малюнку 8 показана крива середньої температури поверхні металу леза з товщиною. Видно, що середня температура поверхні металу леза зменшується зі збільшенням товщини покриття. Це пояснюється тим, що теплопровідність теплового бар'єрного покриття низька, що збільшує теплову опір між високотемпературним газом та металевим лезом, ефективно знижуючи температуру поверхні леза. Коли товщина покриття дорівнює 0. 0 5 мм, середня температура тіла леза зменшується на 21 градус, а потім у міру збільшення товщини термічного бар'єрного покриття, температура поверхні леза продовжує зменшуватися; Коли товщина покриття становить 0,20 мм, середня температура тіла леза знижується на 49 градусів. Це в основному узгоджується з ефектом теплоізоляції, виміряною Чжаном Чжікун та ін. через тест на холодний ефект.
Малюнок 9 - це крива, що показує зміну температури поверхні леза вздовж осьової довжини акорду. Як видно з малюнка 9, при різній товщині теплових бар'єрних покриттів, тенденція зміни температури вздовж осьової довжини акорду в основному однакова, а температура поверхні всмоктування значно вища, ніж температура поверхні тиску. У напрямку осьової довжини хорди температура поверхні тиску та всмоктувальної поверхні спочатку зменшуються, а потім збільшуються, і в області кінця, що є певним коливанням, що викликається структурною формою розщепленого розпилювального охолодження в середині кінця. У той же час температура леза, покрита тепловим бар'єрним покриттям, значно падає, а падіння температури на поверхні всмоктування значно більше, ніж на поверхні тиску. Падіння температури поступово зменшується від переднього краю до кінця краю, і чим ближче до переднього краю леза, тим більше температурного падіння.
Рівномірність температури металу леза впливає на рівень теплового напруження леза, тому в цьому документі використовується індекс рівномірності температури для вимірювання рівномірності температури твердого леза. Індекс рівномірності температури:
Де: C- об'єм кожної одиниці, T-- середнє об'єм температури T, TC- значення температури в сітковому блок, а VC- об'єм сітчастої одиниці. Якщо поле температури об'єму рівномірно розподілене, індекс рівномірності об'єму дорівнює 1. Як видно з малюнка 1 0, після обприскування теплового бар'єрного покриття значно покращується рівномірність температури леза. Коли товщина покриття становить 0. 2 мм, індекс рівномірності температури леза збільшується на 0,4%.
2,2 Температура покриття
Зміна температури поверхні покриття показана на малюнку 11. Як видно з малюнка 11, коли товщина покриття збільшується, поверхнева температура теплового бар'єрного покриття продовжує збільшуватися, що є точно протилежною тенденцією зміни температури поверхні леза. Зі збільшенням термічного опору в напрямку товщини покриття, різниця температури між поверхнею покриття та поверхня леза поступово збільшується, а накопичене тепло на поверхні складніше дифузити до металевого леза. Коли товщина покриття дорівнює 0. 20 мм, різниця температури між внутрішньою та зовнішньою градусом покриття досягає 86.
2,3 Температура поперечного перерізу леза
На малюнку 12 показано розподіл температури провідних та кінцевих країв лопатей з тепловими бар'єрними покриттями та без них. Після того, як поверхня покриється тепловими бар'єрними покриттями, температура поперечного перерізу леза значно знижується, а градієнт температури полегшується. Це пояснюється тим, що після нанесення теплового бар'єрного покриття щільність теплового потоку в покритті зменшується. У той же час, оскільки матеріал теплового бар'єрного покриття має низьку теплопровідність, температура змінюється всередині твердого покриття теплового бар'єру.
Зв’яжіться з нами
Дякуємо за ваш інтерес до нашої компанії! Як професійна компанія з виробничої газової турбіни, ми продовжуватимемо бути прихильними до технологічних інновацій та вдосконалення послуг, щоб забезпечити більш високоякісні рішення для клієнтів у всьому світі. Якщо у вас є якісь питання, пропозиції чи наміри співпраці, ми більш ніж раді допомогти вам. Будь ласка, зв'яжіться з нами наступними способами:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
