Studie mechanismu vlivu tepelné bariéry na chladicí účinek turbínových čepelí určitého typu plynové turbíny
Aby bylo možné získat zákon o tepelném izolačním účinku a distribuci teploty s tepelnou bariérovou povlakem na lopatkách turbíny, byl jako základní model použit určitý typ vysokotlaké turbíny s vysokotlakou turbínou s vnitřní chladicí strukturou. Chladicí účinek vysokotlaké lopatky turbíny s ochranou proti tepelnému bariéru nebo bez ochrany tepelného bariéru byl numericky vypočten metodou spojování plynu a vliv tepelné bariéry na přenos tepla čepele byl studován změnou tloušťky tepelné bariéry. Studie zjistila, že po povlaku tepelnou bariérovou povlakem byla teplota čepele výrazně klesla, čím blíže k náběžné hraně, tím větší pokles teploty a pokles teploty na tlakové straně byla větší než teplota na sací straně; tepelná bariéra povlak o tloušťce 0. 05-0. 2 mm může snížit průměrnou teplotu kovového povrchu čepele o 21-49 stupeň; Jak se tloušťka povlaku zvyšuje, rozdělení teploty uvnitř kovu čepele se stane jednotnější.
Při vývoji plynových turbín se také zvyšuje teplota vstupu turbíny a tepelnou účinnost motoru. Čepele turbíny jsou podrobeny dopadu vysokoteplotního plynu. Když se teplota vstupu turbíny stále zvyšuje, samotné chlazení vzduchu již nemůže splňovat požadavky. Povlečení tepelné bariéry, jako efektivní prostředek ke zlepšení odolnosti proti vysoké teplotě a odolnost materiálů koroze, se stále více používají.
Tepelné bariérové povlaky jsou obecně dodržovány na povrchu čepele plazmatickým postřikem plazmů nebo ukládáním elektronového paprsku. Mají vlastnosti vysokého bodu tání a odolnosti vůči tepelnému šoku, což může zlepšit schopnost lopatek turbíny odolávat oxidaci a tepelné korozi, snižovat teplotu čepele a prodloužit životnost čepelí. Alizadeh et al. studoval tepelný izolační účinek {{{0}}. 2 mm tepelné bariérové povlaky pomocí numerické simulace spojování plynu. Výsledky ukázaly, že maximální teplota čepele byla snížena o 19 K a průměrná teplota byla snížena o 34 K. prapamonthon et al. studoval vliv intenzity turbulence na účinnost chlazení čepelí tepelné bariéry. Výsledky ukázaly, že tepelné bariérové povlaky mohou zvýšit komplexní účinnost chlazení povrchu čepele o 16% až 20% a 8% na vlečném okraji čepele. Zhu Jian et al. vytvořil jednorozměrný model ustáleného stavu pro potažené lopatky z termodynamického hlediska a teoreticky analyzoval a vypočítal tepelný izolační účinek tepelných bariérových povlaků. Shi Li et al. provedl numerickou studii o C3X s tepelnými bariérovými povlaky. Keramická vrstva 0,3 mm může snížit povrchovou teplotu čepele o 72,6 K a zvýšit komplexní účinnost chlazení o 6,5%. Potahování tepelné bariéry nemá žádný vliv na rozdělení účinnosti chlazení povrchu čepele. Zhou Hongru et al. provedli numerickou studii na přední hraně lopatek turbíny s tepelnými bariérovými povlaky. Výsledky ukázaly, že tepelné bariérové povlaky mohou nejen snížit provozní teplotu kovových lopatků a teplotního gradientu v čepelích, ale také odolávat tepelnému šoku vstupních horkých skvrn do určité míry. Yang Xiaoguang et al. Vypočítal distribuci dvourozměrného teplotního pole a napětí vodicích lodí pomocí tepelných bariérových povlaků tím, že poskytl koeficienty přenosu tepla vnitřních a vnějších povrchů čepelí. Wang Liping et al. Provedla trojrozměrnou analýzu plynového a termálního vazebného vodicího lopatky s kompozitními chladicími strukturami a studovala účinky tloušťky povlaku a záření plynu na teplotu povlaku. Liu Jianhua et al. Analyzoval tepelný izolační účinek tepelných bariérových povlaků pro chladicí čepele Mark II s vícevrstvými tepelnými bariérovými povlaky vnitřním nastavením koeficientu přenosu tepla a vnějšího plynového a tetermálního spojení.
Metoda výpočtu
Výpočetní model
Tepelná bariérová povlak je umístěn mezi vysokoteplotním plynem a povrchem substrátu slitiny čepele a je složen z kovové vazebné vrstvy a tepelné izolační keramické vrstvy. Jeho základní struktura je znázorněna na obrázku 1. Při konstrukci modelu výpočtu je ignorována vazba s vyšší tepelnou vodivostí ve struktuře povlaku tepelné bariéry a zachovává se pouze tepelná izolační keramická vrstva s nižší tepelnou vodivostí.
Obrázek 2 ukazuje model čepele po potažení povlakem tepelné bariéry. Čepel obsahuje vícekanálovou rotační chladicí strukturu, se dvěma chladicími otvory výfukového filmu na přední hraně, strukturou střední štěrbiny na koncové hraně a strukturou drážky ve tvaru H na horní části čepele. Povlak tepelné bariéry se stříká pouze na tělo čepele a na povrch desky spodní okraje. Protože teplota pod kořenem čepele je nízká a není to zaměřením výzkumu, aby se snížil počet výpočetních mřížek, je část pod kořenem ignorována při nastavování výpočetního modelu a model výpočetní domény znázorněný na obrázku 3 je konstruován.
Metoda numerického výpočtu
Vnitřní geometrie chladicí čepele turbíny je relativně složitá a je obtížné použít strukturované mřížky. Použití nestrukturovaných mřížek významně zvyšuje množství výpočtu. V tomto ohledu tento článek používá generátor polyhedrální mřížky k zapadání čepele a plynové domény. Divize sítě, model sítě je znázorněn na obrázku 4.
V modelu výpočtu je tloušťka tepelného bariérového povlaku extrémně malá, menší než 1/10 tloušťky stěny čepele. Z tohoto důvodu tento článek používá generátor tenkého oka k rozdělení tepelné bariérové povlaky do tří vrstev polygonálních prizmatických sítí. Počet tenkých vrstev oka byl ověřen jako nezávislý a počet tenkých sézových vrstev nemá téměř žádný vliv na teplotu teploty čepele.
Doména tekutin přijímá realizovatelný dvouvrstvý model K-Epsilon v modelu turbulence Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS). Tento model poskytuje větší flexibilitu pro zpracování sítě celé stěny Y+. Dokáže nejen zpracovávat jemná oka (tj. Typ nízkého reynoldse nebo nízkého y+ sítí), ale také zpracovávat mezilehlé oka (tj. 1 ＜ y+ ＜ 30) nejpřesnějším způsobem, což může účinně vyvážit stabilitu, výpočetní náklady a přesnost.
Okrajové podmínky
Vstup plynu je nastaven jako vstup na stagnaci s celkovým tlakem, vstup chladicího vzduchu je vstup hmotnostního toku a výstup je nastaven jako výstup statického tlaku. Povrchový povrch v plynovém kanálu je nastaven jako vazební povrch s tekutinou, povlak a povrch kovu čepele jsou nastaveny jako pevné rozhraní a dvě strany kanálu jsou nastaveny jako rotační doba. Studený plyn i plyn jsou ideální plyny a tepelná kapacita plynu a tepelná vodivost jsou stanoveny pomocí vzorce Sutherland. Odpovídající podmínky pro výpočty jsou: Celkový tlak vstupního vstupu plynového kanálu je 2,5 MPa, rozdělení vstupní teploty s radiální teplotní gradient je znázorněno na obrázku 5, průtok vstupního plynu studeného kanálu je 45 g/s, celková teplota je 54 0 stupně. Materiál čepele je na bázi niklu na bázi niklu s vysokou teplotou a tepelnou vodivostí materiálu se mění s teplotou. Pokud jde o stávající materiály, tepelné bariérové povlaky obecně používají stabilní materiály oxidu zirkonia (YSZ) yttrie nebo oxidu zirkonia (Zro2), jejichž tepelná vodivost se při výpočtu mění s teplotou, takže tepelná vodivost je nastavena na 1,03 W/(M · K).
2 Analýza výsledků výpočtu
2.1 Teplota povrchu čepele
Obrázky 6 a 7 ukazují rozložení povrchové teploty nepotažené čepele a rozložení povrchové teploty kovového povrchu čepele při různých tloušťkách povlaku. Je vidět, že s tím, jak se tloušťka povlaku neustále zvyšuje, teplota povrchu kovového povrchu čepele se postupně snižuje a zákon o rozložení teploty kovového povrchu čepele při různých tloušťkách je v podstatě stejná, teplota uprostřed tlakového povrchu je nižší a teplota na špičce čepele je vyšší. Špička čepele je obvykle nejobtížnější částí celé čepele, která se vychladne, a žebra drážky na špičce čepele je obtížné přímo ochladit studeným vzduchem. V modelu výpočtu pokrývá povlak pouze povrch tělesa čepele a špička čepele není pokryta povlakem. Neexistuje žádný bariérový účinek na teplo z plynové strany špičky čepele, takže vysoká teplotní plocha na špičce čepele vždy existuje.
Obrázek 8 ukazuje křivku průměrné teploty měnící se povrchu kovu čepele se tloušťkou. Je vidět, že průměrná teplota kovového povrchu čepele klesá se zvyšováním tloušťky povlaku. Je to proto, že tepelná vodivost povlaku tepelné bariéry je nízká, což zvyšuje tepelný odolnost mezi vysokoteplotním plynem a kovovou čepelí a účinně snižuje teplotu kovového povrchu čepele. Když je tloušťka povlaku 0. 0 5 mm, průměrná teplota těla čepele se snižuje o 21 stupňů a poté se tloušťka povlaku tepelné bariéry zvyšuje, teplota povrchu čepele se stále snižuje; Když je tloušťka povlaku 0,20 mm, průměrná teplota těla čepele se snižuje o 49 stupňů. To je v podstatě v souladu s tepelným izolačním účinkem měřeným Zhang Zhiqiang et al. Prostřednictvím testu studeného efektu.
Obrázek 9 je křivka ukazující změnu povrchové teploty úseku čepele podél délky axiálního akordu. Jak je vidět z obrázku 9, pod různými tloušťkami tepelných bariérových povlaků je trend změny teploty podél délky axiálního akordu v podstatě stejný a teplota sacího povrchu je výrazně vyšší než teplota tlakového povrchu. Ve směru délky axiálního akordu se teplota tlakového povrchu a sacího povrchu nejprve zmenšuje a poté se zvyšuje a v oblasti koncové hrany je určitá kolísání, která je způsobena strukturální formou rozstřikovacího postřikového chlazení uprostřed koncové hrany. Současně teplota čepele potažená tepelnou bariérovou povlakem výrazně klesá a pokles teploty na sací povrchu je výrazně větší než teplota na tlakovém povrchu. Pokles teploty se postupně snižuje z náběžné hrany k zadní hraně a čím blíže k náběžné hraně čepele, tím větší pokles teploty.
Uniformita teploty kovu čepele ovlivňuje hladinu tepelného napětí čepele, takže tento papír používá index uniformity teploty k měření teplotní uniformity pevné čepele. Index uniformity teploty:
Kde: C je objem každé jednotky, je průměr objemu teploty T, TC je teplotní hodnota v jednotce mřížky a VC je objem mřížky. Pokud je pole objemové teploty jednotně distribuováno, index jednotnosti objemu je 1. Jak je vidět z obrázku 1 0, po postřiku tepelné bariérové povlaky se teplotní uniformita čepele výrazně zlepšuje. Když je tloušťka povlaku 0 2 mm, index teplotní uniformity čepele se zvýší o 0,4%.
2.2 Teplota povrchu povlaku
Změna teploty povrchu povlaku je znázorněna na obrázku 11. Jak je vidět z obrázku 11, jak se tloušťka povlaku zvyšuje, povrchová teplota tepelné bariérové povlaky se stále zvyšuje, což je přesně opak průměrného trendu změny teploty povrchu čepele. Jak se tepelný odolnost zvyšuje ve směru tloušťky povlaku, teplotní rozdíl mezi povrchem povlaku a povrchem čepele se postupně zvyšuje a nahromaděné teplo na povrchu je obtížnější rozptýlit kovovou čepel. Když je tloušťka povlaku 0. 20 mm, teplotní rozdíl mezi vnitřkem a vnějším povlakem dosáhne stupně 86.
2.3 Teplota průřezu čepele
Obrázek 12 ukazuje rozdělení teploty předních a koncových okrajů čepelí s a bez tepelných bariérových povlaků. Poté, co je povrch potažen tepelnými bariérovými povlaky, je průřezová teplota čepele výrazně snížena a teplotní gradient je zmírněn. Je tomu tak proto, že po aplikaci tepelné bariérové povlaky se sníží hustota tepelného toku v povlaku. Současně, protože materiál tepelné bariéry má nízkou tepelnou vodivost, jsou změny teploty uvnitř pevné látky tepelné bariéry velmi drastické.
Kontaktujte nás
Děkujeme za váš zájem o naši společnost! Jako profesionální společnost pro výrobu dílů plynových turbín se budeme i nadále odhodlána technologické inovace a zlepšování služeb, abychom poskytovali kvalitnější řešení pro zákazníky po celém světě. Pokud máte jakékoli dotazy, návrhy nebo záměry spolupráce, můžeme vám pomoci. Kontaktujte nás následujícími způsoby:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
