Изучение механизма влияния термического барьерного покрытия на охлаждающий эффект турбинных лопастей определенного типа газовой турбины
Чтобы получить эффект теплоизоляции и закон о распределении температуры термического барьерного покрытия на лопастях турбины, в качестве основной модели использовались определенный тип движущегося турбинного турбинного турбинного турбинного лезвия с внутренней структурой охлаждения. Эффект охлаждения турбинного лезвия высокого давления с защитой от теплового барьерного покрытия или без него численно рассчитывался методом сцепления газа, и влияние термо барьера на теплопередачу лезвия было изучено путем изменения толщины термического барьерного покрытия. Исследование показало, что после покрытия термическим барьерным покрытием температура лезвия значительно упала, чем ближе к переднему краю, тем выше падение температуры и падение температуры на стороне давления было больше, чем на стороне всасывания; Тепловое барьерное покрытие с толщиной 0. 05-0. 2 мм может снизить среднюю температуру поверхности металла лезвия на 21-49 степень; По мере увеличения толщины покрытия распределение температуры внутри металла лезвия станет более равномерным.
При разработке газовых турбин, чтобы улучшить мощность и тепловую эффективность двигателя, температура на входе турбины также увеличивается. Лезвия турбины подвергаются воздействию высокотемпературного газа. Когда температура на входе турбины продолжает расти, только воздушное охлаждение больше не может соответствовать требованиям. Тепловые барьерные покрытия, как эффективное средство для улучшения высокотемпературной стойкости и коррозионной стойкости материалов, все чаще используются.
Тепловые барьерные покрытия, как правило, прилипают к поверхности лезвия путем распыления пламени пламени или отложения электронного луча. Они обладают характеристиками высокой температуры плавления и устойчивости к тепловому шоку, что может улучшить способность турбинных лопастей сопротивляться окислению и термической коррозии, снизить температуру лезвия и продлить срок службы лезвий. Alizadeh et al. Изучил эффект теплоизоляции {{0}}. 2 мм тепловых барьеров с помощью численного моделирования сцепления газового и соединения. Результаты показали, что максимальная температура лезвия была снижена на 19 К, а средняя температура была снижена на 34 К. Prapamonthon et al. Изучил влияние интенсивности турбулентности на эффективность охлаждения лезвий с термическим барьером. Результаты показали, что тепловые барьерные покрытия могут повысить комплексную эффективность охлаждения поверхности лезвия на 16% до 20% и 8% на заднем крае лезвия. Чжу Цзянь и соавт. Установил одномерную модель устойчивого состояния для лопастей с покрытием с термодинамической точки зрения, и теоретически проанализирована и рассчитывала эффект теплоизоляции тепловых барьеров. Shi Li et al. Проведено численное исследование C3X с тепловыми барьерными покрытиями. Керамический слой 0,3 мм может снизить температуру поверхности лезвия на 72,6 К и повысить комплексную эффективность охлаждения на 6,5%. Покрытие теплового барьера не влияет на распределение эффективности охлаждения поверхности лезвия. Zhou Hongru et al. Провел числовое исследование на переднем крае турбинных лопастей с тепловыми барьерами. Результаты показали, что тепловые барьерные покрытия могут не только снизить рабочую температуру металлических лопастей и градиент температуры в лопастях, но и в определенной степени противостоять тепловому удару входных горячих точек. Yang Xiaoguang et al. Рассчитал двумерное распределение поля температуры и напряжение направляющих лопастей с тепловыми барьерными покрытиями, давая коэффициенты теплопередачи внутренних и внешних поверхностей лопастей. Wang Liping et al. Провел трехмерный анализ газо-тетерской связи на турбинных лопастях с композитными охлаждающими структурами и изучал влияние толщины покрытия и газового излучения на поле температуры покрытия. Лю Цзяньхуа и соавт. Проанализировал эффект теплоизоляции тепловых барьерных покрытий для охлаждающих лопастей Mark II с многослойными тепловые барьерные покрытия, внутренне устанавливая коэффициент теплопередачи и внешнюю газо-тепловую связь.
Метод расчета
Вычислительная модель
Условие термического барьера расположено между высокотемпературным газом и поверхностью подложки сплава лезвия и состоит из металлического соединительного слоя и керамического слоя теплоизоляции. Его базовая структура показана на рисунке 1. При конструкции модели расчета состав связывающего слоя с более высокой теплопроводностью в структуре термического барьерного покрытия игнорируется, и сохраняется только теплоизоляционный керамический слой с более низкой теплопроводностью.
На рисунке 2 показана модель лезвия после покрытия термическим барьером. Лезвие содержит многоканальную конструкцию вращающегося охлаждения, с двумя выхлопными пленками на охлаждении на переднем крае, средней прорезей на заднем крае и H-образной канавкой на вершине лезвия. Тепловое барьерное покрытие распыляется только на корпус лезвия и поверхность нижней края. Поскольку температура ниже корня лезвия является низкой и не является фокусом исследований, чтобы уменьшить количество вычислительных сетей, деталь ниже корня игнорируется при установлении вычислительной модели, а модель вычислительной области, показанная на рисунке 3.
Численный метод расчета
Внутренняя геометрия турбинного охлаждающего лезвия относительно сложна, и трудно использовать структурированные сетки. Использование неструктурированных сетей значительно увеличивает количество расчетов. В связи с этим в этой статье используется многогранный генератор сетки для сетки лезвия и газового домена. Разделение сетки, модель сетки показана на рисунке 4.
В модели расчета толщина термического барьерного покрытия чрезвычайно мала, менее 1/10 от толщины стенки лезвия. По этой причине в этой статье используется тонкий сетчатый генератор для разделения термического барьерного покрытия на три слоя полигональных призматических сетей. Количество тонких слоев сетки было проверено независимым, а количество тонких слоев сетки почти не влияет на поле температуры лезвия.
Жидкий домен применяет реализуемая двухслойная модель K-Epsilon в модели турбулентности в Рейнольдсейвни. Эта модель обеспечивает большую гибкость для обработки сетки всей стены Y+. Он может не только хорошо обрабатывать тонкие сетки (то есть, тип числа Рейнольдса или сетки с низким уровнем Y+), но также и обрабатывает промежуточные сетки (то есть 1 ＜ y+ ＜ 30) наиболее точным, что может эффективно сбалансировать стабильность, вычислительные затраты и точность.
Граничные условия
Входной вход газа устанавливается в качестве впускного отверстия с полным давлением, входной отверстие охлаждающего воздуха представляет собой входной вход в массовый расход, а выход установлен в качестве статического выхода давления. Поверхность покрытия в газовом канале устанавливается как поверхность соединения жидкости, покрытие и поверхность металла лезвия установлены в виде твердого раздела, а две стороны канала устанавливаются в виде периода вращения. Как холодный газ, так и газ являются идеальными газами, а теплоемкость газа и теплопроводность устанавливаются с использованием формулы Сазерленда. Соответствующие граничные условия расчета: общее давление основного входа газового канала составляет 2,5 МПа, распределение температуры на входе с радиальным градиентом температуры показано на рисунке 5, скорость потока холодного газа в холодном канале в лезвии составляет 45 г/с, общая температура составляет 54 0 степень, а выходное давление - 0,9 МПа. Материал лезвия представляет собой монокристаллический высококрементный сплав на основе никеля, а теплопроводность материала изменяется с температурой. Что касается существующих материалов, тепловые барьерные покрытия, как правило, используют стабильные материалы из оксида циркония иттрии (YSZ) или оксид циркония (ZRO2), чья теплопроводность мало изменяется с температурой, поэтому теплопроводность установлена на 1,03 Вт/(M · K) в расчете.
2 Анализ результатов расчета
2.1 Температура поверхности лезвия
На рисунках 6 и 7 показано распределение температуры поверхности лезвия без покрытия и распределение температуры поверхности металла лезвия при различных толщинах покрытия соответственно. Можно видеть, что по мере того, как толщина покрытия продолжает увеличиваться, температура поверхности металла лопасти постепенно уменьшается, и закон о распределении температуры металлической поверхности лезвия при разных толщинах в основном одинакова, температура в середине поверхности давления ниже, а температура у наконечника лезвия выше. Кончик лезвия, как правило, является самой сложной частью всего лезвия, чтобы остыть, а ребра с канавкой на кончике лезвия трудно охлаждать холодным воздухом. В модели расчета покрытие только покрывает поверхность корпуса лезвия, а наконечник лезвия не покрыт покрытием. Не существует барьерного воздействия на тепло со стороны газовой стороны кончика лезвия, поэтому область высокой температуры на кончике лезвия всегда существует.
На рисунке 8 показана кривая средней температуры поверхности металла лезвия, изменяющуюся с толщиной. Можно видеть, что средняя температура поверхности металла лезвия уменьшается с увеличением толщины покрытия. Это связано с тем, что теплопроводность теплового барьерного покрытия является низкой, что увеличивает тепловое сопротивление между высокотемпературным газом и металлическим лезвием, эффективно снижая температуру поверхности металла лезвия. Когда толщина покрытия составляет 0. 0 5 мм, средняя температура тела лезвия уменьшается на 21 градус, а затем по мере увеличения толщины термического барьерного покрытия продолжается уменьшаться; Когда толщина покрытия составляет 0,20 мм, средняя температура тела лезвия уменьшается на 49 градусов. Это в основном согласуется с теплоизоляционным эффектом, измеренным Zhang Zhiqiang et al. Через тест на холодный эффект.
Рисунок 9 представляет собой кривую, показывающую изменение температуры поверхности сечения лезвия вдоль осевой длины аккорда. Как видно из рисунка 9, при различных толщинах тепловых барьерных покрытий тенденция изменения температуры вдоль осевой длины хорды в основном одинакова, а температура поверхности всасывания значительно выше, чем температура поверхности давления. В направлении осевой длины аккорда температура поверхности давления и поверхности всасывания сначала уменьшается, а затем увеличивается, и в области заднего края наблюдается определенное колебание, что вызвано структурной формой распылительного охлаждения с расщепленным подвеской в середине заднего края. В то же время температура лезвия, покрытая термическим барьером, значительно падает, а падение температуры на поверхности всасывания значительно больше, чем на поверхности давления. Падение температуры постепенно уменьшается от переднего края до заднего края и чем ближе к переднему краю лезвия, тем больше падение температуры.
Единообразие температуры металла лезвия влияет на уровень теплового напряжения лезвия, поэтому в этой статье используется индекс однородности температуры, чтобы измерить однородность температуры твердого лезвия. Индекс однородности температуры:
Где: c- объем каждой единицы, T-- это среднее объем температуры t, Tc- это значение температуры в сетке, а VC- объем сетки. Если поле температуры объема равномерно распределено, индекс однородности объема составляет 1. Как можно увидеть на рисунке 1 0, после распыления термического барьерного покрытия, температурная однородность лезвия значительно улучшается. Когда толщина покрытия составляет 0. 2 мм, индекс однородности температуры лезвия увеличивается на 0,4%.
2.2 Температура поверхности покрытия
Изменение температуры поверхности покрытия показано на рисунке 11. Как видно на рисунке 11, поскольку толщина покрытия увеличивается, температура поверхности термического барьерного покрытия продолжает увеличиваться, что является точно противоположностью средней тренде изменения температуры поверхности лезвия. По мере увеличения теплового сопротивления в направлении толщины покрытия разность температур между поверхностью покрытия и поверхностью лезвия постепенно увеличивается, и накопленное тепло на поверхности труднее диффундировать в металлическое лезвие. Когда толщина покрытия составляет 0. 20 мм, разница температур между внутренней и внешней стороной покрытия достигает 86 степени.
2.3 температура поперечного сечения лезвия
На рисунке 12 показано распределение температуры ведущих и запекающих краев лезвий с тепловыми барьерными покрытиями и без них. После того, как поверхность покрыта термическими барьерами, температура поперечного сечения лезвия значительно снижается, а градиент температуры облегчается. Это связано с тем, что после применения термического барьерного покрытия плотность теплового потока в покрытии уменьшается. В то же время, поскольку материал для термического барьерного покрытия имеет низкую теплопроводность, изменения температуры внутри теплового барьерного покрытия очень радикальны.
Связаться с нами
Спасибо за ваш интерес к нашей компании! Будучи профессиональной компанией по производству запчастей газовых турбин, мы будем продолжать быть приверженными технологическим инновациям и улучшению услуг, чтобы предоставить более качественные решения для клиентов по всему миру. Если у вас есть какие-либо вопросы, предложения или намерения сотрудничества, мы более чем рады вам помочь. Пожалуйста, свяжитесь с нами следующими способами:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
