Изследване на механизма за влияние на топлостойкото покритие върху охлаждането на турбинните лопатки на определен тип газова турбина

За да се получи термоизолационният ефект и законът за разпределение на температурата при топлоизолиращото покритие на турбинните лопатки, е използвана определен вид газова турбина с високотемпературна турбина и движеща се лопатка с вътрешна охлаждаща структура като основна модела. Охлаждащият ефект на движещата се лопатка на високотемпературната турбина с или без защитно топлоизолиращо покритие е числено пресметнат чрез метода на газовото-тепловото свързване, а влиянието на топлоизолиращото покритие върху топлопреместването на лопатката е проучено чрез промяна на дебелината на топлоизолиращото покритие. Проучването установи, че след нанасянето на топлоизолиращото покритие температурата на лопатката намаля значително, колкото по-близо до предната кромка, толкова по-голяма е спадът на температурата, а спадът на температурата от страна на налягането е по-голям от този от страна на всмукването; топлоизолиращото покритие с дебелина от 0,05 до 0,2 мм може да намали средната температура на металната повърхност на лопатката с 21-49 °C; с увеличаване на дебелината на покритието разпределението на температурата в метала на лопатката ще стане по-еднородно.

При разработването на газови турбини, за да се подобри мощността и термичната ефективност на двигателите, температурата на входа на турбината също се увеличава. Лопастите на турбината са подложени на въздействието на високотемпературен газ. Когато температурата на входа на турбината продължава да се повишава, само въздушното охлаждане вече не може да отговаря на изискванията. Термични бариерни покрития, като ефективен начин за подобряване на устойчивостта при висока температура и корозионната устойчивост на материалите, се използват все по-широко.

Термически бариерните покрития обикновено се прикрепяват към повърхността на лопастта чрез плазмено пламенно напълване или електронно-лъчево нанасяне. Те имат характеристики като висока точка на плавене и съпротива се на термични шокове, което може да подобри способността на турбинните лопasti да се съпротивляват на окисление и термична корозия, да намалят температурата на лопастта и да продължат срока на служба на лопастите. Ализадех и др. изследваха термичния изолиращ ефект на 0,2 мм термически бариерни покрития чрез газово-тепловна числова симулация. Резултатите показаха, че максималната температура на лопастта се намали с 19 К, а средната температура се намали с 34 К. Прапамонтон и др. изучиха влиянието на интензитета на турбулентността върху охладителната ефективност на лопастта с термически бариерно покритие. Резултатите показаха, че термическите бариерни покрития могат да увеличат общата охладителна ефективност на повърхността на лопастта с 16% до 20% и с 8% в задната част на лопастта. Чжу Цзянь и др. установиха единомерна стационарна модел за лопастта с покритие от термодинамична гледна точка и теоретично анализираха и пресметнаха термичния изолиращ ефект на термическите бариерни покрития. Ши Ли и др. провеждаха числено изследване на C3X с термически бариерни покрития. 0,3 мм керамическа слой може да намали температурата на повърхността на лопастта с 72,6 К и да увеличи общата охладителна ефективност с 6,5%. Термическото бариерно покритие няма влияние върху разпределението на охладителната ефективност на повърхността на лопастта. Чжоу Хонгру и др. провеждаха числено изследване на предната част на турбинните лопasti с термически бариерни покрития. Резултатите показаха, че термическите бариерни покрития не само намаляват работната температура на металните лопasti и температурния градиент в лопастите, но и се съпротивляват на термичния шок от входящите горещи точки до определена степен. Янг Сяогуанг и др. пресметнаха двумерното разпределение на температурното поле и напрежението на ръководните лопasti с термически бариерни покрития, като зададоха коефициентите на теплопроводност на вътрешните и външните повърхности на лопастите. Ван Липинг и др. провеждаха тримерен газово-теплов аналитичен анализ на турбинните ръководни лопasti с композитни охлаждателни конструкции и изучаваха влиянието на толщината на покритието и радиацията на газа върху температурното поле на покритието. Лиу Цзяньхуа и др. анализираха термичния изолиращ ефект на термическите бариерни покрития за лопasti с охлаждане Mark II с многослойни термически бариерни покрития, като задават коефициента на теплопроводност вътрешно и газово-тепловата симулация външно.

1.Метод на изчисление

1.1Вычислителна модел

Термалното барие се намира между високотемпературния газ и повърхността на лопастта от сплав, и се състои от метален свързващ слой и термоизолиращ керамичен слой. Неговата основна структура е показана на фигура 1. При построяването на изчислителната модел, се игнорира свързващият слой с по-висока термочувствителност в структурата на термалното барие и се запазва само термоизолиращият керамичен слой с по-ниска термочувствителност.

Фигурата 2 показва модела на лопастта след нанасянето на термична барьерна покрития. Лопастта съдържа многоканална ротационна охлаждаща структура, с две изходни филмови отвора за охлаждане в предната част, средна разцепена структура в задната част и H-образна градина върху върха на лопастта. Термичното барьерно покритие е нанесено само върху тялото на лопастта и повърхността на долната плоча. Тъй като температурата под корена на лопастта е ниска и не е фокус на изследването, за да се намали броя на изчислителните мрежки, частта под корена се игнорира при поставянето на изчислителния модел, и се построява моделът на изчислителната област, показан в фигура 3.

1.2 Числен метод за изчисления

Вътрешната геометрия на турбинния охлаждащ лопатка е относително сложна и е трудно да се използват структурирани мрежи. Използването на неструктурирани мрежи значително увеличава обема на изчисленията. В тази връзка, настоящата статия използва генератор на полиедрични мрежи за разграфяване на лопатката и газовата област. Разграфяването, моделът на мрежата е показан на фигура 4.

В изчислителния модел толщината на термоизолационното покритие е екстремно малка, по-малко от 1/10 от толщината на стената на лопатката. Поради това, тази статия използва генератор на тонки мрежи за разграфяване на термоизолационното покритие в три слоя от полиедрични призматични мрежи. Броителят на тонките слоеве на мрежата е потвърден като независим, а броят на тонките слоеве има почти никакъв ефект върху температурното поле на лопатката.

Домейнът на течността използва модела Realizable K-Epsilon Two-Layer в рамките на турбулентния модел на уравненията на Рейнолдс за среден по време Навије-Стокс (RANS). Този модел предоставя по-голяма гъвкавост при обработката на мрежа за цялата стена y+. Той може не само да обработва добре точни мрежи (т.е., тип с ниско число на Рейнолдс или мрежи с ниско y+), но и да обработва най-точно промежуточни мрежи (т.е., 1＜y+＜30), което може ефективно да балансира стабилността, изчислителната цена и точността.

1.3Гранични условия

Входът за газа е зададен като вход с общо стагнационно налягане, входът за охлаждащия въздух е масов потоков вход, а изходът е зададен като статично налягане. Повърхнината на покритието в газовия канал е зададена като повърхност за течност-твердостен coupling (свързване), покритието и металната повърхност на лопастта са зададени като твърда интерфейса, а двете страни на канала са зададени като ротационен период. И охлаждащият газ, и газът са идеални газове, а тепловата вместимост и термичната проводимост на газа са зададени чрез формулата на Сътуърд. Съответните гранични условия за изчисления са: общото налягане на главния вход на газовия канал е 2,5 МПа, температурното разпределение на входа с радиален температурен градиент е показано на фигура 5, скоростта на потока на хладния газ в охлаждащия канал на лопастта е 45 г/с, общата температура е 540 °C, а налягането на изхода е 0,9 МПа. Материалът на лопастта е никелова еднокристална високотемпературна алой, чиято термична проводимост се променя с температурата. От гледна точка на наличните материали, термичните бариерни покрития обикновено използват стабилни оксиди на цирконий с итрий (YSZ) или оксиди на цирконий (ZrO2), чиято термична проводимост малко се променя с температурата, затова термичната проводимост е зададена като 1,03 Вт/(м·К) при изчисленията.

2 Анализ на резултатите от изчисленията

2.1 Температура на лопастната повърхност

Фигурите 6 и 7 показват разпределението на температурата на повърхнината на непокритото лопаст и металното разпределение на температурата на повърхнината на лопастта при различни дебелины на покритието, съответно. Вижда се, че с продължаващото увеличаване на дебелината на покритието, металната температура на повърхнината на лопастта постепенно намалява, а закона за разпределението на температурата на металната повърхност на лопастта при различни дебелини е почти един и същ – температурата в средата на натискната повърхност е по-ниска, а температурата на края на лопастта е по-висока. Крайната част на лопастта обикновено е най-трудната част от цялата лопаст да се охлажда, а рибите на гребените при края са трудни за директно охлаждане с хладен въздух. В изчислителната модела покритието покрива само повърхнината на тялото на лопастта, а краят не е покрит с покритие. Няма бариерен ефект върху топлината от газовата страна на края, така че високотемпературната зона на края винаги съществува.

Фигурата 8 показва кривата на промените в средната температура на металната повърхност на лопастта спрямо нейната дебелина. Вижда се, че средната температура на металната повърхност намалява с увеличаването на дебелината на покритието. Това е поради ниската термична проводимост на термичния барьерен слой, който увеличава термичното съпротивление между високотемпературния газ и металната лопаст, ефективно намалявайки температурата на металната повърхност. Когато дебелината на покритието е 0,05 мм, средната температура на тялото на лопастта намалява с 21 °C, след това с увеличаването на дебелината на термичния барьерен слой температурата на повърхността на лопастта продължава да намалява; когато дебелината на покритието е 0,20 мм, средната температура на тялото на лопастта намалява с 49 °C. Това е основно съответно с термичния изолационен ефект, измерен от Чанг Жичян и колегите му чрез хладен ефект тест.

Фигура 9 е крива, показваща промяната на температурата на повърхността на лопатката по дължината на аксиалния хорд. Както се вижда от Фигура 9, при различна толщина на термичните бариерни покрития, тенденцията за промяна на температурата по дължината на аксиалния хорд е практически една и съща, а температурата на всмукващата повърхност е значително по-висока от температурата на натискната повърхност. По дължината на аксиалния хорд температурата на натискната и всмукващата повърхност първо намалява, а после увеличава, като има определено колебание в областта на задния край, което е причинено от конструкционната форма на разделящото щеповидно охлаждане по средата на задния край. Едновременно температурата на лопатката, обработена с термично бариерно покритие, намалява значително, а намалението на температурата на всмукващата повърхност е значително по-голямо от това на натискната повърхност. Намалението на температурата постепенно намалява от предната част до задния край, а чеме ближо до предния край на лопатката, тем greater е намалението на температурата.

Еднородността на температурата на металът на лопатката влияе върху нивото на термичния стрес на лопатката, затова в тази статия се използва индексът за еднородност на температурата, за да се измери еднородността на температурата на твърдата лопатка. Индекс на еднородност на температурата:

Където: c е обемът на всяка единица, T- е обемният среден температурен T, Tc е температурната стойност в мрежовата единица, а Vc е обемът на мрежовата единица. Ако полето на обемната температура е равномерно разпределено, индексът за обемна еднородност е 1. Както може да се види от фигура 10, след спрейването на термичния барьерен слой, еднородността на температурата на лопатката се подобрява значително. Когато дебелината на слоя е 0.2 мм, индексът за еднородност на температурата на лопатката се увеличава с 0.4%.

2.2 Температура на повърхността на покритието

Промяната на температурата на повърхнината на покритието е показана на фигура 11. Както може да се види от фигура 11, когато толщината на покритието се увеличава, температурата на повърхнината на термичното бариерно покритие продължава да се повишава, което е точно обратно на средния тренд на промяната на температурата на повърхнината на лопатката. Когато термическото съпротивление се увеличава в посока на толщината на покритието, температурната разлика между повърхнината на покритието и повърхнината на лопатката постепенно се увеличава, а натрупваното топло на повърхнината става все по-трудно за дифузия до металната лопатка. Когато толщината на покритието е 0,20 мм, температурната разлика между вътрешната и външната част на покритието достига 86 °C.

2.3 Температура на поперечният разрез на лопатката

Фигурата 12 показва разпределението на температурата на вътрешните и външните краища на лопатките с и без термични бариерни покрития. След като повърхността е обработена с термично бариерно покритие, поперечната температура на лопатката се намаля значително, а температурният градиент се намалява. Това е поради това, че след прилагането на термичното бариерно покритие, плътността на топлинния поток в покритието се намалява. Едновременно, тъй като материалът за термичното бариерно покритие има ниска термична проводимост, температурните промени вътре в твърдото термично бариерно покритие са много драматични.

Свържете се с нас.

Благодарим ви за проявения интерес към нашата фирма! Като професионален производител на части за газови турбини, ще продължим да се ангажираме с технологично иновиране и подобряване на услугите, за да предлагаме още повече качествени решения за клиентите си по целия свят. Ако имате някакви въпроси, предложениета или намерения за сътрудничество, ще бъде ни най-голямата радост да ви помогнем. Можете да се свържете с нас по следните начини:

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