Studie oor die invloed van 'n termiese barrièrlaag op die koelingeffect van turbinlblaaie van 'n spesifieke tipe gas turbine

Om die warmteïsolasie-efek en temperatuurverdelingswet van 'n termiese barrièrlaag op turbinblaaie te verkry, is 'n spesifieke tipe gas turbine hoëdruk turbinbeweegblad met interne koelstruktuur as basismodel gebruik. Die koelingseffek van hoëdruk turbinbeweegblaaie met of sonder termiese barrièrlaagskerming is numeries bereken deur die gas-warmtekoppelmethode, en die invloed van die termiese barrièrlaag op blaadwarmtesoorgang is bestudeer deur die dikte van die termiese barrièrlaag te verander. Die studie het gevind dat nadat dit met 'n termiese barrièrlaag bedek is, het die temperatuur van die blaar beduidend daal, hoe nader aan die voorkant, hoe groter die temperatuurdaling, en die temperatuurdaling aan die drukkant was groter as aan die suigkant; 'n termiese barrièrlaag met 'n dikte van 0,05-0,2 mm kan die gemiddelde temperatuur van die bladmetale oppervlak met 21-49 ℃ verminder; soos die laagdikte toeneem, sal die temperatuurverdeling binne die metaal van die blaar meer uniform word.

In die ontwikkeling van gasroere, om die krag en termiese doeltreffendheid van die motor te verbeter, neem die turbininvloetemperatuur ook toe. Die turbinblaaie word blootgestel aan die impak van hoë-temperatuur gas. Wanneer die turbininvloetemperatuur voortgaan om toe te neem, kan lugkoeling alleen nie meer die vereistes voldoen nie. Termiese barrièrskote, as 'n effektiewe manier om die hoë-temperatuurweerstand en korrosieweerstand van materiaal te verbeter, word al hoe meer gebruik.

Termiese barrièrsbedde word gewoonlik aan die blaaroppervlak vasgemaak deur plasmavlamspuiting of elektronstraaldeposisie. Hulle het die eienskappe van 'n hoë smeltpunt en weerstand teen termiese skok, wat kan help om die vermoë van turbinblaaie om oxidering en termiese korrosie te weerstaan te verbeter, die blaartemperatuur te verlaag en die dienstyd van blaaie te verleng. Alizadeh en sy span het die termiese isolasie-effek van 0,2 mm termiese barrièrsbedde bestudeer deur gas-hitte-koppelingsimulasie. Die resultate het getoon dat die maksimumtemperatuur van die blaar met 19 K verlaag is en die gemiddelde temperatuur met 34 K verlaag is. Prapamonthon en sy span het die effek van turbulentiekrag op die koelingeffektiwiteit van termiese barrièrbeddeblaaie bestudeer. Die resultate het getoon dat termiese barrièrsbedde die algehele koelingeffektiwiteit van die blaaroppervlak kan verhoog met 16% tot 20%, en met 8% by die agterkant van die blaar. Zhu Jian en sy span het 'n een-dimensionele stasionêre model vir gekoekte blaaie vanaf 'n termodinamiese perspektief opgestel, en teoreties die termiese isolasie-effek van termiese barrièrsbedde geanaliseer en bereken. Shi Li en sy span het 'n numeriese studie oor C3X met termiese barrièrsbedde gedoen. 'n 0,3 mm keramieklaag kan die blaaroppervlaktemperatuur met 72,6 K verlaag en die algehele koelingeffektiwiteit met 6,5% verhoog. Die termiese barrièrsbedding het geen invloed op die verspreiding van die koelingeffektiwiteit van die blaaroppervlak nie. Zhou Hongru en sy span het 'n numeriese studie oor die voorkant van turbinblaaie met termiese barrièrsbedde gedoen. Die resultate het getoon dat termiese barrièrsbedde nie net die bedryfstemperatuur van metaalblaaie en die temperatuursgradiënt binne die blaaie kan verlaag nie, maar ook tot 'n sekere mate weerstand kan bied teen die termiese skok van invoerwarmtepunte. Yang Xiaoguang en sy span het die twee-dimensionele temperatuurveldverspreiding en spanning van rigvane met termiese barrièrsbedde bereken deur die warmtesoorgiftekoëffisiënte van die binne- en buitenvlakke van die blaaie te gee. Wang Liping en sy span het 'n drie-dimensionele gas-termiese koppelingsanalise op turbinrigvane met samestellingkoelingstrukture gedoen en die effekte van beddykkte en gasstraling op die bedtemperatuurveld bestudeer. Liu Jianhua en sy span het die termiese isolasie-effek van termiese barrièrsbedde vir Mark II-koelingblaaie met veerklags termiese barrièrsbedde geanaliseer deur intern die warmtesoorgiftekoëffisiënt in te stel en eksterne gas-termiese koppelings.

1.Berekeningsmetode

1.1Berekeningsmodel

Die termiese barrièrskeding is geleë tussen die hoëtemperatuurgas en die oppervlak van die blaaralloysubstraat, en bestaan uit 'n metaliese bindingslaag en 'n termiese isolerende keramikelaag. Sy basiese struktuur word in Figuur 1 getoon. Wanneer die berekeningsmodel opgebou word, word die bindingslaag met hoër termiese geleiheid in die termiese barrièrskedingstruktur genegeleerd, en word slegs die termiese isolerende keramikelaag met laer termiese geleiheid behou.

Figuur 2 toon die bladmodel nadat dit met 'n termiese barrièrskeding bedek is. Die blad bevat 'n meerkanalrotasiekoelingstruktuur, met twee uitlaatfilmkoelingsgatte op die voorkant, 'n middelste spleetstruktuur op die agterkant, en 'n H-vormige groefstruktuur op die blads top. Die termiese barrièrskeding word slegs op die bladliggaam en die onderkant van die plaat gespuit. Aangesien die temperatuur onder die bladroei laag is en nie die fokus van navorsing is nie, word die deel onder die roei genegeer wanneer die rekenmodel ingestel word, en word die rekengebiedsmodel wat in Figuur 3 getoon word, gekonstrueer.

1.2Numeriese berekeningmetode

Die interne geometrie van die turbinekoelblad is relatief kompleks, en dit is moeilik om gestruktureerde roosters te gebruik. Die gebruik van ongestruktureerde roosters verhoog die hoeveelheid berekening aansienlik. In hierdie opsig gebruik hierdie artikel 'n polieder-rooster generator om die blad en gasdomein te verdryf. Roosterafdeling, die roostermeganisme word in Figuur 4 getoon.

In die berekeningsmodel is die dikte van die termiese barrièrlaag baie klein, minder as 1/10 van die dikte van die bladding. Daarom gebruik hierdie artikel 'n dun rooster generator om die termiese barrièrlaag in drie lae van poligonale prismaatse roosters te verdeel. Die aantal dun roosterlae is onafhanklik geverifieer, en die aantal dun roosterlae het amper geen invloed op die bladtemperatuurvlak nie.

Die vloeidomein gebruik die Realizable K-Epsilon Two-Layer-model in die Reynolds-gemiddelde Navier-Stokes-vergelykings (RANS) turbulentiemodel. Hierdie model bied groter veelsydigheid vir die roosterbewerkings van die hele y+ wand. Dit kan nie net fyn roosters (d.w.s., lae Reynolds-getal tipe of lae y+ roosters) goed hanteer nie, maar ook tussenliggende roosters (d.w.s., 1＜y+＜30) op die akkuraatste wyse, wat effektief balans kan skep tussen stabiliteit, berekeningskoste en akkuraatheid.

1.3Randvoorwaardes

Die gasinlaat word ingestel as 'n totale druk-stagnasie-inlaat, die koel lug inlaat is 'n massa vloei inlaat, en die uitlaat word ingestel as 'n statiese druk uitlaat. Die bedekking oppervlak in die gas kanaal word ingestel as 'n vloeistof-vaststof koppelingsoppervlak, die bedekking en die blaar metaaloppervlak word ingestel as 'n vast stof grens, en die twee kante van die kanaal word ingestel as 'n rotasie periode. Beide die koelgas en die gas is ideaal gase, en die gas warmtekapasiteit en termiese geleiwordigheid word ingestel deur die Sutherland formule te gebruik. Die ooreenstemmende berekening randvoorwaardes is: die totale druk van die hoofstroom inlaat van die gas kanaal is 2,5 MPa, die invoer temperatuur verspreiding met radiale temperatuur gradiënt word in Figuur 5 getoon, die koelgas invoer vloei snelheid van die koelkanaal binne die blaar is 45 g/s, die totale temperatuur is 540 ℃, en die uitlaatdruk is 0,9 MPa. Die blaar materiaal is 'n nikkel-gebaseerde enkelskristal hoëtemperatuur legering, en die termiese geleiwordigheid van die materiaal verander met temperatuur. Gegee bestaande materialen, word termiese barrièrbedekkings gewoonlik gemaak van stabiele yttrium zirkoonoksied (YSZ) materialen of zirkoonoksied (ZrO2), waarvan die termiese geleiwordigheid min verander met temperatuur, so word die termiese geleiwordigheid ingestel op 1,03 W/(m·K) in die berekening.

2 Analise van berekeningsresultate

2.1 Bloeioppervlaktemperatuur

Figuur 6 en 7 toon die oppervlaktemperatuurverdeling van die onbeklede blaar en die metalige oppervlaktemperatuurverdeling van die blaar by verskillende bekledingsdiktes, onderskeidelik. Dit kan gesien word dat wanneer die bekledingsdikte voortgaan om toe te neem, die metalige oppervlaktemperatuur van die blaar geleidelik daal, en die temperatuurverdelingswet van die metalige oppervlak van die blaar by verskillende diktes is basies dieselfde; die temperatuur in die middel van die drukkant is laer, en die temperatuur by die punt van die blaar is hoër. Die punt van die blaar is gewoonlik die moeilikste deel van die hele blaar om te koel, en die groefribbes by die punt van die blaar word moeilik direk deur koue lug gekoel nie. In die berekeningsmodel bedek die bekleding slegs die oppervlak van die blaarliggaam, en die punt van die blaar word nie met bekleding bedek nie. Daar is geen barriëre-effek op die hitte van die gasweerskant van die punt van die blaar nie, so die hoëtemperatuurgebied by die punt van die blaar bestaan altyd.

Figuur 8 toon die kromme van die gemiddelde temperatuur van die bladmateriaaloppervlak wat verander met dikte. Dit kan gesien word dat die gemiddelde temperatuur van die bladmateriaaloppervlak daal naarmate die dikte van die bedekking toeneem. Dit is omdat die termiese gelei van die warmteskermbedekking laag is, wat die termiese weerstand tussen die hoëtemperatuurgas en die metaalblad verhoog, waardoor die temperatuur van die bladmateriaaloppervlak effektief verminder word. Wanneer die bedekkingsdikte 0,05 mm is, daal die gemiddelde temperatuur van die bladlys met 21 °C, en dan as die dikte van die warmteskermbedekking toeneem, daal die temperatuur van die blades oppervlak voortgaande; wanneer die bedekkingsdikte 0,20 mm is, daal die gemiddelde temperatuur van die bladlys met 49 °C. Dit is basies konsekwent met die termiese isolasie-effek wat deur Zhang Zhiqiang en sy span deur die kou-effektoets gemeet is.

Figuur 9 is 'n kromme wat die verandering in die oppervlaktemperatuur van die bladsnede langs die aksele lengte wys. Uit Figuur 9 kan gesien word dat, onder verskillende diktes van termiese barrièrbeskikkings, die temperatuurveranderingspatroon langs die aksele lengte basies dieselfde is, en dat die temperatuur van die suigoppervlak beduidend hoër is as die temperatuur van die drukoppervlak. In die rigting van die aksele lengte daal die temperatuur van beide die druk- en suigoppervlak eers en neem dan weer toe, met 'n sekere fluktuasie in die agterkantgebied, wat deur die strukturele vorm van die gespleet-spleet spuitkoeling in die middel van die agterkant veroorsaak word. Tegelyktyd daal die temperatuur van die blad wat met die termiese barrièrbeskatting beklee is beduidend, en is die temperatuurdaling op die suigoppervlak beduidend groter as op die drukoppervlak. Die temperatuurdaling neem geleidelik af vanaf die voorkant na die agterkant, en hoe nader tot die voorkant van die blad, hoe groter die temperatuurdaling.

Die gelykmatigheid van die lemmetmetaaltemperatuur beïnvloed die termiese spanningnivo van die lemmet, so gebruik hierdie artikel die temperatuurgelykmatigheidsindeks om die temperatuurgelykmatigheid van die vaste lemmet te meet. Temperatuurgelykmatigheidsindeks:

Waar: c is die volume van elke eenheid, T- is die volumegemiddelde van temperatuur T, Tc is die temperatuurwaarde in die rooster-eenheid, en Vc is die volume van die rooster-eenheid. As die volumetemperatuurvlak gelykmatig verdeel is, is die volumegelykmatigheidsindeks 1. Soos uit Figuur 10 kan gesien word, word die temperatuurgelykmatigheid van die lemmet na die spuit van die termiese barrièrskerm aansienlik verbeter. Wanneer die skerm dikte 0.2 mm is, word die temperatuurgelykmatigheidsindeks van die lemmet verhoog met 0.4%.

2.2 Skermoppervlakte-temperatuur

Die temperatuurverandering van die bedekkingsoveral is in Figuur 11 getoon. Uit Figuur 11 kan gesien word dat, na mate die bedekkingsdikte toeneem, bly die oppervlakte-temperatuur van die termiese barrièredeling stoor opstyg, wat presies teenoorgesteld is aan die gemiddelde temperatuurveranderingsrigting van die klingoppervlak. Na mate die termiese weerstand in die bedekkingsdikterigting toeneem, neem die temperatuursverskil tussen die bedekkingsoppervlak en die klingoppervlak geleidelik toe, en word die opgespoorde warmte op die oppervlak moeiliker om na die metaalkling te versprei. Wanneer die bedekkingsdikte 0.20 mm is, bereik die temperatuursverskil tussen die binne- en buitekant van die bedekking 86 °C.

2.3 Kling-kruissnede temperatuur

Figuur 12 toon die temperatuurverdeling van die voorspoed- en agterrand van skepe met en sonder termiese barrièrsbedekking. Nadat die oppervlak bedek word met 'n termiese barrièrsbedekking, word die dwarsafsnittemperatuur van die skerp beduidend verminder, en die temperatuurgradiënt word verlig. Dit is omdat die warmtestromdigtheid in die bedekking na die aanbring van die termiese barrièrsbedekking verminder word. Tegelykertyd, aangesien die materiaal van die termiese barrièrsbedekking 'n lae warmgeleidingskoëffisiënt het, is die temperatuurveranderinge binne die vaste termiese barrièrsbedekking baie dramaties.

Kontak Ons

Dankie vir jou belangstelling in ons maatskappy! As 'n professionele gas-turbinekomponentvervaardiger sal ons voortgaan om ons te fokus op tegnologiese innovasie en diensverbetering, om meer hoë-kwaliteitsoplossings te bied aan kliënte oor die hele wêreld. As jy enige vrae, voorstelle of samewerkingsoorwegings het, sal ons baie gelukkig wees om jou te help. Kontak asseblief ons op die volgende maniere:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
E-pos: [email protected]