Проучване на механизма на влияние на покритието с топлинна бариера върху охлаждащия ефект на турбинните остриета от определен тип газова турбина
За да се получи ефект на термична изолация и закон за разпределение на температурата на покритието с термично бариери върху лопатките на турбината, като основен модел беше използван определен тип газова турбина с високо налягане на турбината с вътрешна охлаждаща структура. Охлаждащият ефект на острието на турбината с високо налягане с или без защита от термично бариерно покритие се изчислява числено по метода на свързване на газ-тона и влиянието на термичното бариерно покритие върху топлопредаването на острието се изследва чрез промяна на дебелината на термичното бариерно покритие. Проучването установи, че след покритие с покритие с топлинна бариера, температурата на острието спадна значително, колкото по -близо до водещия ръб, толкова по -голям е спадът на температурата, а спадът на температурата от страна на налягането е по -голям от този от страната на засмукване; Термичната бариера покритие с дебелина 0. 05-0. 2 mm може да намали средната температура на металната повърхност на острието чрез 21-49 градус; С увеличаването на дебелината на покритието, разпределението на температурата вътре в метала на острието ще стане по -равномерно.
При разработването на газови турбини, за да се подобри мощността и топлинната ефективност на двигателя, температурата на входа на турбината също се увеличава. Турбинните остриета са подложени на въздействието на газ с висока температура. Когато температурата на входа на турбината продължава да се увеличава, самото охлаждане на въздуха вече не може да отговаря на изискванията. Все по -често се използват термични бариерни покрития, като ефективно средство за подобряване на високата температурна устойчивост и устойчивост на корозия на материалите.
Термичните бариерни покрития обикновено се придържат към повърхността на острието чрез плазмен пламък пръскане или отлагане на електронния лъч. Те имат характеристиките на високата точка на топене и устойчивостта на термичен шок, което може да подобри способността на турбинните лопатки да устоят на окисляването и топлинната корозия, да намалят температурата на острието и да удължат експлоатационния живот на остриетата. Alizadeh et al. изследва ефекта на топлинната изолация на {{0}}. Резултатите показват, че максималната температура на острието е намалена с 19 K и средната температура е намалена с 34 K. Prapamonthon et al. изследва ефекта на интензивността на турбулентността върху ефективността на охлаждане на остриетата за термично бариерно покритие. Резултатите показват, че топлинните бариерни покрития могат да повишат цялостната ефективност на охлаждане на повърхността на острието с 16% до 20% и 8% в крайния ръб на острието. Zhu Jian et al. установи едномерно стационарно състояние на остриета от термодинамична гледна точка и теоретично анализира и изчисли ефекта на топлинната изолация на термичните бариерни покрития. Shi Li et al. Проведе числово проучване на C3X с термични бариерни покрития. 0,3 mm керамичен слой може да намали температурата на повърхността на острието със 72,6 K и да увеличи цялостната ефективност на охлаждане с 6,5%. Покритието на топлинната бариера няма ефект върху разпределението на ефективността на охлаждане на повърхността на острието. Zhou Hongru et al. Проведе числово проучване на водещия ръб на турбинните остриета с термични бариерни покрития. Резултатите показват, че топлинните бариерни покрития могат не само да намалят работната температура на металните остриета и градиента на температурата в лопатките, но и да устоят на топлинния шок на входните горещи точки до известна степен. Yang Xiaoguang et al. Изчисли двумерното разпределение на температурното поле и напрежението на водачите с топлинни бариерни покрития, като даде коефициентите на топлопреминаване на вътрешните и външните повърхности на остриетата. Wang Liping et al. Проведе триизмерен газо-термичен анализ на свързване върху лопатките на турбината с композитни охлаждащи конструкции и проучи ефектите от дебелината на покритието и газовото излъчване върху температурното поле на покритието. Liu Jianhua et al. Анализира ефекта на топлинната изолация на топлинните бариерни покрития за охлаждащи остриета на Mark II с многослойни термични бариерни покрития чрез вътрешно поставяне на коефициента на топлопреминаване и външно газо-термично свързване.
Метод на изчисление
Изчислителен модел
Термичното бариерно покритие е разположено между газовия газ с висока температура и повърхността на субстрата на сплав на острието и е съставено от метален свързващ слой и термичен изолационен керамичен слой. Основната му структура е показана на фигура 1. Когато конструира модела на изчисление, свързващият слой с по -висока топлопроводимост в структурата на термичната бариера се игнорира и се запазва само термичният изолационен керамичен слой с по -ниска термична проводимост.
Фигура 2 показва модела на острието след покриване с покритие с термична бариера. Острието съдържа многоканална ротационна охлаждаща конструкция, с два отвора за охлаждане на изпускателния филм на водещия ръб, структура на средната цепка на задния ръб и H-образна структура на жлеб на върха на острието. Покритието на топлинната бариера се напръсква само върху тялото на острието и повърхността на долния ръб. Тъй като температурата под корена на острието е ниска и не е в центъра на изследванията, за да се намали броят на изчислителните мрежи, частта под корена се игнорира при настройка на изчислителния модел и изчислителният модел на домейни, показан на фигура 3.
Числен метод за изчисляване
Вътрешната геометрия на острието на турбинното охлаждане е сравнително сложна и е трудно да се използват структурирани решетки. Използването на неструктурирани решетки значително увеличава размера на изчислението. В тази връзка този документ използва генератор на полиедрична решетка, за да свърже домейна на острието и газа. Мрежено разделение, мрежовият модел е показан на фигура 4.
В модела на изчисление дебелината на термичната бариера е изключително малка, по -малко от 1/10 от дебелината на стената на острието. Поради тази причина тази книга използва тънък мрежест генератор, за да раздели термичното бариерно покритие на три слоя полигонални призматични мрежи. Броят на тънките мрежести слоеве е проверен за независим, а броят на тънки мрежести слоеве почти няма ефект върху температурното поле на острието.
Течният домейн приема реализирания двуслоен модел K-Epsilon в модела на уравненията на Navier-Stokes (RANS). Този модел осигурява по -голяма гъвкавост за обработката на мрежата на цялата Y+ стена. Той не само може да се справи с фините мрежи (т.е. добре, че ниският тип число на Рейнолдс или ниските Y+ мрежи) добре, но и да се справят с междинните мрежи (т.е. 1 ＜ y+ ＜ 30) по най -точния начин, което може ефективно да балансира стабилността, изчислителната цена и точността.
Гранични условия
Входът за газ е зададен като вход за застой на общо налягане, входът за охлаждащ въздух е вход за масов поток, а изходът е зададен като статичен изход на налягане. Повърхността на покритието в газовия канал е настроена като повърхност на съединителя на течност, покритието и металната повърхност на острието са зададени като твърд интерфейс, а двете страни на канала са зададени като период на въртене. Както студеният газ, така и газът са идеални газове, а газовият топлинен капацитет и топлинната проводимост са поставени с помощта на формулата на Съдърланд. Съответните гранични условия на изчислението са: Общото налягане на основния вход на газовия канал е 2,5 MPa, разпределението на температурата на входа с радиална температурна градиент е показано на фигура 5, общата температура на входа е 54 0 градус, а налягането на изхода е 0,9 MPA. Материалът на острието е никел на базата на никел с високотемпературна сплав и топлинната проводимост на материала се променя с температурата. Що се отнася до съществуващите материали, термичните бариерни покрития обикновено използват стабилни материали на Yttria циркониев оксид (YSZ) или циркониев оксид (ZRO2), чиято термична проводимост се променя малко с температурата, така че топлинната проводимост е настроена на 1,03 W/(M · K) в изчисляването.
2 Анализ на резултатите от изчисленията
2.1 Температура на повърхността на острието
Фигури 6 и 7 показват разпределението на повърхностната температура на острието и разпределението на температурата на металната повърхност на острието при различни дебелини на покритието, съответно. Вижда се, че тъй като дебелината на покритието продължава да се увеличава, температурата на металната повърхност на острието постепенно намалява, а законът за разпределение на температурата на металната повърхност на острието при различна дебелина е основно същата, температурата в средата на повърхността на налягането е по -ниска, а температурата на върха на острието е по -висока. Накрайникът на острието обикновено е най -трудната част от цялото острие за охлаждане, а ребрата на жлебовете на върха на острието е трудно да се охлаждат директно от студен въздух. В модела на изчисление покритието покрива само повърхността на тялото на острието, а върхът на острието не е покрит с покритие. Няма бариерен ефект върху топлината от газовата страна на върха на острието, така че високата температурна площ на върха на острието винаги съществува.
Фигура 8 показва кривата на средната температура на металната повърхност на острието, променяща се с дебелина. Вижда се, че средната температура на металната повърхност на острието намалява с увеличаването на дебелината на покритието. Това е така, защото топлинната проводимост на термичното бариерно покритие е ниска, което увеличава топлинното съпротивление между газовия газ с висока температура и металното острие, като ефективно намалява температурата на металната повърхност на острието. Когато дебелината на покритието е 0. 0 5 mm, средната температура на тялото на острието намалява с 21 градуса, а след това, тъй като дебелината на термичната бариера се увеличава, температурата на повърхността на острието продължава да намалява; Когато дебелината на покритието е 0,20 mm, средната температура на тялото на острието намалява с 49 градуса. Това основно е в съответствие с ефекта на топлинната изолация, измерен от Zhang Zhiqiang et al. чрез теста за студ.
Фигура 9 е крива, показваща промяната на температурата на повърхността на секцията на острието по дължината на аксиалния хорд. Както може да се види от фигура 9, при различни дебелини на термичните бариерни покрития, тенденцията за промяна на температурата по дължината на аксиалния хорд е същата, а температурата на смукателната повърхност е значително по -висока от температурата на повърхността на налягането. В посока на аксиалната дължина на акорда, температурата на повърхността на налягането и повърхността на смукателната повърхност първо намалява и след това се увеличава и има определено колебание в зоната на задната част, която се причинява от структурната форма на охлаждането на спрей с разделител в средата на задния ръб. В същото време температурата на острието, покрита с покритието с термична бариера, намалява значително, а температурният спад на смукателната повърхност е значително по -голям от този на повърхността на налягането. Спадът на температурата постепенно намалява от водещия ръб към задния ръб, а колкото по -близо до водещия ръб на острието, толкова по -голям е спадът на температурата.
Еднородността на температурата на металния метал влияе върху нивото на термично напрежение на острието, така че тази хартия използва индекса на равномерността на температурата, за да измерва температурната равномерност на твърдото острие. Индекс на равномерност на температурата:
Където: C е обемът на всяка единица, T- е средната обем на температурата T, TC е стойността на температурата в мрежата, а VC е обемът на решетката. Ако температурното поле на обема е равномерно разпределено, индексът на равномерност на обема е 1. Както се вижда от фигура 1 0, след пръскане на термичното бариерно покритие, температурната равномерност на острието се подобрява значително. Когато дебелината на покритието е 0. 2 mm, индексът на равномерност на температурата на острието се увеличава с 0,4%.
2.2 Температура на повърхността на покритието
Промяната на температурата на повърхността на покритието е показана на фигура 11. Както се вижда от фигура 11, тъй като дебелината на покритието се увеличава, повърхностната температура на термичната бариера продължава да се увеличава, което е точно обратното на средната тенденция на промяна на температурата на повърхността на острието. Тъй като термичното съпротивление се увеличава в посоката на дебелината на покритието, разликата в температурата между повърхността на покритието и повърхността на острието постепенно се увеличава и натрупаната топлина на повърхността е по -трудна за дифузен върху металното острие. Когато дебелината на покритието е 0. 20 mm, температурната разлика между вътрешната и външната част на покритието достига 86 степен.
2.3 Температура на напречното сечение на острието
Фигура 12 показва разпределението на температурата на водещите и задните ръбове на остриетата със и без термични бариерни покрития. След като повърхността е покрита с термични бариерни покрития, температурата на напречното сечение на острието е значително намалена и температурният градиент се облекчава. Това е така, защото след нанасянето на термичната бариера покритието, плътността на топлинния поток в покритието се намалява. В същото време, тъй като материалът за термично бариерно покритие има ниска термична проводимост, температурните промени вътре в твърдото покритие на топлинната бариера са много драстични.
Свържете се с нас
Благодарим ви за интереса към нашата компания! Като професионална компания за производство на части за газови турбини, ние ще продължим да бъдем ангажирани с технологичните иновации и подобряване на услугите, за да предоставим по-висококачествени решения за клиентите по целия свят. Ако имате въпроси, предложения или намерения за сътрудничество, ние сме повече от щастливи да ви помогнем. Моля, свържете се с нас по следните начини:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
