دراسة حول آليات تأثير طبقة العزل الحراري على تأثير تبريد شفرات التوربين لنوع معين من توربين الغاز

من أجل الحصول على تأثير العزل الحراري وقانون توزيع درجة الحرارة للطلاء الحارجي على شفرات التوربين، تم استخدام نوع معين من توربين الغاز ذو شفرة دوارة لتوربين الضغط العالي ببنية تبريد داخلية كنموذج أساسي. تم حساب تأثير التبريد لشفرة التوربين الدوارة ذات الضغط العالي بطريقة Kopplig الغاز-الحرارة عدديًا، سواء بوجود طبقة عازلة حرارية أو بدونها، وتم دراسة تأثير الطلاء الحارجي على نقل الحرارة في الشفرة بتغيير سماكة الطبقة العازلة. وقد أظهرت الدراسة أن درجة حرارة الشفرة انخفضت بشكل كبير بعد تطبيق الطلاء الحارجي، وكلما كانت أقرب إلى الحافة الأمامية، كان الانخفاض أكبر، وكان الانخفاض في درجة الحرارة على الجانب المضغوط أكبر من الجانب المستخلص؛ يمكن للطلاء الحارجي بسماكة 0.05-0.2 مم أن يقلل من درجة حرارة سطح المعدن للشفرة بمتوسط يتراوح بين 21-49 درجة مئوية؛ ومع زيادة سماكة الطبقة، سيصبح توزيع درجة الحرارة داخل معدن الشفرة أكثر انتظامًا.

في تطويرturbojets، من أجل تحسين قوة المحرك وكفاءته الحرارية، يزداد أيضًا درجة حرارة مدخل التوربين. تخضع شفرات التوربين لتأثير غازات ذات درجة حرارة عالية. عندما تستمر درجة حرارة مدخل التوربين في الزيادة، لا يمكن للتدفئة الهوائية وحدها أن تلبي المتطلبات بعد الآن. طبقات الحواجز الحرارية، كوسيلة فعالة لتحسين مقاومة المواد للحرارة العالية والصدأ، تم استخدامها بشكل متزايد.

تُلصق عادةً طبقات الحواجز الحرارية على سطح الشفرة بواسطة رش بلازما أو ترسيب شعاع إلكتروني. ولها خصائص نقطة انصهار عالية ومقاومة للصدمة الحرارية، مما يمكن تحسين قدرة شفرات التوربين على مقاومة الأكسدة والتآكل الحراري، وتقليل درجة حرارة الشفرة، وتمديد عمر الخدمة للشفرات. درس أليزاده وزملاؤه تأثير العزل الحراري لطبقات الحواجز الحرارية بسمك 0.2 مم باستخدام المحاكاة العددية المترابطة بالحرارة والغاز. أظهرت النتائج أن درجة الحرارة القصوى للشفرة انخفضت بمقدار 19 كلفن، بينما انخفضت درجة الحرارة المتوسطة بمقدار 34 كلفن. درس برابامونتون وزملاؤه تأثير شدة الاضطراب على كفاءة التبريد لشفرات ذات طبقات حواجز حرارية. أظهرت النتائج أن طبقات الحواجز الحرارية يمكن أن تزيد من الكفاءة الشاملة للتبريد لسطح الشفرة بنسبة 16٪ إلى 20٪ وبنسبة 8٪ عند الحافة الخلفية للشفرة. أنشأ زهو جيان وزملاؤه نموذجًا ثابتًا واحد البعد للشفرات المطلية من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، وقاموا بتحليل وحساب تأثير العزل الحراري لطبقات الحواجز الحرارية نظريًا. أجرى شي لي وزملاؤه دراسة عددية على C3X مع طبقات الحواجز الحرارية. يمكن لطبقة السيراميك بسمك 0.3 مم تقليل درجة حرارة سطح الشفرة بمقدار 72.6 كلفن وزيادة الكفاءة الشاملة للتبريد بنسبة 6.5٪. لا يؤثر طبقة الحاجز الحراري على توزيع كفاءة التبريد لسطح الشفرة. أجرى تشيو هونغرو وزملاؤه دراسة عددية على الحافة الأمامية لشفرات التوربين مع طبقات الحواجز الحرارية. أظهرت النتائج أن طبقات الحواجز الحرارية يمكنها ليس فقط تقليل درجة حرارة التشغيل للمعادن ولكن أيضًا تقليل التدرج الحراري داخل الشفرات، بل ويمكنها مقاومة الصدمات الحرارية لنقاط السخونة في المدخل إلى حد ما. حسب يانغ شياوقوانغ وزملاؤه توزيع مجال درجة الحرارة ثنائي الأبعاد والضغط على الدفائن ذات طبقات الحواجز الحرارية عن طريق إعطاء معاملات انتقال الحرارة للأسطح الداخلية والخارجية للشفرات. أجرى وانغ لي بينغ وزملاؤه تحليلًا ثلاثي الأبعاد مترابطًا بالغاز والحرارة على دفائن التوربين ذات الهياكل التبريد المركبة ودرسوا تأثير سمك الطبقة والإشعاع الغازي على مجال درجة حرارة الطبقة. قام ليو جيانهوا وزملاؤه بتحليل تأثير العزل الحراري لطبقات الحواجز الحرارية متعددة الطبقات على شفرات التبريد من نوع مارك II عن طريق ضبط معامل انتقال الحرارة داخليًا والترابط الخارجي بالغاز والحرارة.

1.طريقة الحساب

1.1نموذج الحساب

يوجد طبقة العزل الحراري بين الغاز عالي درجة الحرارة وسطح قاعدة سبيكة الشفرة، وهي تتكون من طبقة ربط معدنية وطبقة خزفية معزولة حرارياً. يُظهر هيكلها الأساسي في الشكل 1. عند بناء نموذج الحساب، يتم تجاهل الطبقة الواصلة ذات الموصلية الحرارية العالية في هيكل طبقة العزل الحراري، ويتم الاحتفاظ فقط بالطبقة الخزفية المعزولة حرارياً ذات الموصلية الحرارية المنخفضة.

تُظهر الشكل 2 نموذج الشفرة بعد طلاءها بطبقة عازلة للحرارة. تحتوي الشفرة على هيكل تبريد دوار متعدد القنوات، مع فتحتين لتبريد فيلم العادم على الحافة الأمامية، وهيكلاً شاقوليًا وسطيًا على الحافة الخلفية، وبنية خندق على شكل حرف H على قمة الشفرة. يتم رش الطبقة العازلة للحرارة فقط على جسم الشفرة وسطح اللوحة الحافة السفلية. بما أن درجة الحرارة أسفل جذر الشفرة منخفضة ولا تعتبر نقطة تركيز البحث، فقد تم تجاهل الجزء أسفل الجذر عند إعداد النموذج الحسابي، وتم بناء نموذج المجال الحسابي كما هو موضح في الشكل 3.

1.2طريقة الحساب العددي

الهندسة الداخلية لشفرة تبريد التوربين معقدة نسبيًا، ومن الصعب استخدام الشبكات المهيكلة. يستخدم استخدام الشبكات غير المهيكلة يزيد بشكل كبير من كمية الحسابات. في هذا السياق، استخدمت هذه الورقة مولد شبكة متعدد الأضلاع لتغطية الشفرة ونطاق الغاز. يتم عرض نموذج الشبكة في الشكل 4.

في نموذج الحساب، سمك طبقة العزل الحراري صغير جدًا، أقل من 1/10 من سمك جدار الشفرة. ولذلك، استخدمت هذه الورقة مولد شبكة رقيقة لتقسيم طبقة العزل الحراري إلى ثلاث طبقات من الشبكات المضلعة المثلثية. تم التحقق من عدد طبقات الشبكة الرقيقة ليكون مستقلًا، ولا يوجد تأثير تقريبًا لعدد طبقات الشبكة الرقيقة على حقل درجة حرارة الشفرة.

يتبنى مجال السائل نموذج Realizable K-Epsilon Two-Layer في معادلات Navier-Stokes المتوسطة حسب رينولدز (RANS) لنماذج التوربين. يوفر هذا النموذج مرونة أكبر لمعالجة الشبكة للجدار الكامل y+. يمكنه ليس فقط التعامل مع الشبكات الدقيقة (أي نوع رقم رينولدز المنخفض أو شبكات y+ المنخفضة) بشكل جيد، ولكن أيضًا التعامل مع الشبكات الوسيطة (أي 1＜y+＜30) بطريقة دقيقة للغاية، مما يمكن من تحقيق توازن فعال بين الاستقرار، تكلفة الحسابات والدقة.

1.3 شروط الحدود

يتم ضبط منفذ دخول الغاز كمدخل ضغط كامل مع توقف التدفق، ومنفذ دخول الهواء البارد كمدخل تدفق كتلي، ويتم ضبط المنفذ الخروجي كمنفذ ضغط ساكن. يتم ضبط سطح الطلاء في القناة الغازية كسطح اقتران سائل-صلب، ويتم ضبط الطلاء وسطح المعدن للشفرة كواجهة صلبة، ويتم ضبط جانبي القناة كفترة دورانية. كل من الغاز البارد والغاز هما غازات مثالية، ويتم ضبط سعة الحرارة والموصلية الحرارية للغاز باستخدام صيغة ساذرلاند. الشروط الحدودية المقابلة للحساب هي: الضغط الكلي لمنفذ الدخول الرئيسي للقناة الغازية هو 2.5 ميجاباسكال، وتوزيع درجة حرارة الدخول مع تدرج درجة الحرارة الشعاعي موضح في الشكل 5، ومعدل تدفق الغاز البارد لمنفذ الدخول في القناة الباردة للشفرة هو 45 جرام/ثانية، والدرجة الحرارية الكلية هي 540 درجة مئوية، وضغط الخروج هو 0.9 ميجاباسكال. مادة الشفرة هي سبيكة نيكلية بلورية أحادية عالية الحرارة، ويتغير نقل الحرارة للمادة مع درجة الحرارة. بالنسبة للمواد الموجودة حاليًا، فإن طبقات الحواجز الحرارية تستخدم عادة مواد أكسيد الزركونيوم المستقرة (YSZ) أو أكسيد الزركونيوم (ZrO2)، والتي لا تتغير فيها الموصلية الحرارية بشكل كبير مع درجة الحرارة، لذلك تم ضبط الموصلية الحرارية على 1.03 واط/(م·ك).

2 تحليل نتائج الحساب

2.1 درجة حرارة سطح الشفرة

تُظهر الشكلان 6 و7 توزيع درجة حرارة سطح الشفرة غير المطلية وتوزيع درجة حرارة السطح المعدني للشفرة عند سمك طلاء مختلف، على التوالي. يمكن ملاحظة أن درجة حرارة السطح المعدني للشفرة تنخفض تدريجياً مع زيادة سمك الطلاء باستمرار، وأن قانون توزيع درجة الحرارة على السطح المعدني للشفرة عند سمكات مختلفة هو تقريباً نفسه: درجة الحرارة في منتصف السطح الضاغط تكون أقل، ودرجة الحرارة في طرف الشفرة تكون أعلى. عادةً ما يكون طرف الشفرة هو الجزء الأكثر صعوبة لتبريده في الشفرة بأكملها، حيث يصعب تبريد الأضلاع الموجودة في طرف الشفرة مباشرةً باستخدام الهواء البارد. في نموذج الحساب، يغطي الطلاء فقط سطح جسم الشفرة، ولا يوجد طلاء على طرف الشفرة. وبالتالي، لا يوجد تأثير حاجز للحرارة القادمة من الجانب الغازي لطرف الشفرة، مما يؤدي إلى استمرار وجود منطقة ذات درجة حرارة مرتفعة في طرف الشفرة.

تُظهر الشكل 8 المنحنى لتغير درجة حرارة سطح المعدن للشفرة مع السماكة. يمكن ملاحظة أن متوسط درجة حرارة سطح المعدن للشفرة يتناقص مع زيادة سماكة الطبقة. وهذا لأن导ية الحرارية لطلاء الحواجز الحرارية منخفضة، مما يزيد من المقاومة الحرارية بين الغاز عالي الحرارة والشفرة المعدنية، مما يؤدي إلى تقليل فعّال لدرجة حرارة سطح المعدن للشفرة. عندما تكون سماكة الطبقة 0.05 مم، يتناقص متوسط درجة حرارة جسم الشفرة بمقدار 21 °C، وبعد ذلك مع زيادة سماكة طبقة الحاجز الحراري، تستمر درجة حرارة سطح الشفرة في الانخفاض؛ عندما تكون سماكة الطبقة 0.20 مم، يتناقص متوسط درجة حرارة جسم الشفرة بمقدار 49 °C. وهذا متسق بشكل أساسي مع التأثير العازل الحراري الذي قاسه تشانغ زهيتشيانغ وزملاؤه من خلال اختبار التبريد.

الشكل 9 هو منحنى يظهر تغير درجة حرارة سطح قسم الشفرة على طول الوتر المحوري. كما يمكن رؤيته من الشكل 9، تحت سماكات مختلفة للطلاء الحارجي العازل، يكون اتجاه تغير درجة الحرارة على طول الوتر المحوري متشابهاً بشكل أساسي، ودرجة حرارة السطح الممتص أعلى بكثير من درجة حرارة سطح الضغط. في اتجاه الوتر المحوري، تنخفض درجات حرارة سطح الضغط والسطح الممتص أولاً ثم تزداد، وهناك بعض التذبذبات في منطقة الحافة الخلفية، وهي ناجمة عن الشكل الهيكلي لتبريد الرش الفاصل في منتصف الحافة الخلفية. وفي الوقت نفسه، تنخفض درجة حرارة الشفرة المطلية بالطلاء الحارجي العازل بشكل كبير، وانخفاض درجة الحرارة على السطح الممتص أكبر بكثير من ذلك على سطح الضغط. يتناقص انخفاض درجة الحرارة تدريجياً من الحافة الأمامية إلى الحافة الخلفية، وكلما كانت الشفرة أقرب إلى الحافة الأمامية، كان انخفاض درجة الحرارة أكبر.

تؤثر اتساق درجة حرارة معدن الشفرة على مستوى الإجهاد الحراري للشفرة، لذلك يستخدم هذا البحث مؤشر الاتساق الحراري لقياس اتساق درجة حرارة الشفرة الصلبة. مؤشر الاتساق الحراري:

حيث: c هو حجم كل وحدة، T- هو المتوسط الحجمي لدرجة الحرارة T، Tc هي قيمة درجة الحرارة في الوحدة الشبكية، وVc هو حجم الوحدة الشبكية. إذا كان مجال درجة الحرارة الحجمي موزعًا بشكل موحد، فإن مؤشر الاتساق الحجمي يكون 1. كما يمكن رؤية ذلك من الشكل 10، بعد رش طبقة الحماية الحرارية، تتحسن اتساق درجة حرارة الشفرة بشكل ملحوظ. عندما يكون سمك الطبقة 0.2 مم، يزداد مؤشر اتساق درجة حرارة الشفرة بنسبة 0.4%.

2.2 درجة حرارة سطح الطبقة

تُظهر الشكل 11 تغير درجة حرارة سطح الطلاء. كما يمكن ملاحظته من الشكل 11، مع زيادة سماكة الطلاء، تستمر درجة حرارة سطح الطلاء العازل للحرارة في الزيادة، وهو ما يتعارض تمامًا مع اتجاه التغير المتوسط لدرجة حرارة سطح الشفرة. مع زيادة المقاومة الحرارية في اتجاه سماكة الطلاء، تزداد الفجوة الحرارية بين سطح الطلاء وسطح الشفرة تدريجيًا، ويصبح من الصعب أكثر على الحرارة المتراكمة على السطح أن تتبدد إلى الشفرة المعدنية. عندما تكون سماكة الطلاء 0.20 مم، تصل الفجوة الحرارية بين الداخل والخارج للطلاء إلى 86 °C.

2.3 درجة حرارة قسم الشفرة العرضي

تُظهر الشكل 12 توزيع درجات الحرارة على الحواف الأمامية والخلفية للشفرات مع وبدون طبقات عازلة حرارية. بعد طلاء السطح بطبقات عازلة حرارية، يتم تقليل درجة حرارة المقطع العرضي للشفرة بشكل كبير وتخفيف التدرج الحراري. وهذا لأن تطبيق الطبقة العازلة الحرارية يقلل من كثافة تدفق الحرارة داخل الطبقة. وفي الوقت نفسه، نظرًا لأن مادة الطبقة العازلة الحرارية لها قابلية توصيل حراري منخفضة، فإن التغيرات في درجة الحرارة داخل المادة الصلبة للطبقة العازلة تكون حادة جدًا.

اتصل بنا

شكراً لاهتمامكم بشركتنا! كوننا شركة متخصصة في تصنيع أجزاء التوربينات الغازية، سنواصل الالتزام بالابتكار التكنولوجي وتحسين الخدمة لتوفير حلول عالية الجودة لعملائنا حول العالم. إذا كان لديكم أي أسئلة، اقتراحات أو نوايا للتعاون، نحن سعداء جدًا بمساعدتكم. يرجى التواصل معنا بالطرق التالية:

واتسأب: +86 135 4409 5201
البريد الإلكتروني: [email protected]