Studie o vlivu mechanismu tepelné bariérové nátěru na chlazení vodítka turbíny určitého typu plynové turbíny

Pro získání účinku tepelné izolace a zákona rozdělení teploty na tepelném bariérovém potahu na vrtulech byl použit určitý typ plynové turbíny s vysokým tlakem, pohyblivá vrtule s interní chladicí strukturou jako základní model. Chlazení pohyblivé vrtule s vysokým tlakem s nebo bez ochrany tepelným bariérovým potahem bylo numericky spočítáno pomocí metody koupli plynu a tepla a vliv tepelného bariérového potahu na přenos tepla v listu byl studován změnou tloušťky tepelného bariérového potahu. Studie zjistila, že po aplikaci tepelného bariérového potahu se teplota listu významně snížila, čímž blíže ke střední hraně, tím větší je pokles teploty, a pokles teploty na straně s větším tlakem je větší než na straně s menším tlakem; tepelný bariérový potah o tloušťce 0,05-0,2 mm může snížit průměrnou teplotu povrchu kovového listu o 21-49 ℃; při zvýšení tloušťky potahu se distribuce teploty uvnitř kovového listu stane rovnoměrnější.

Při vývoji plynových turbín, aby se zvýšila výkonnost a tepelná účinnost motoru, stoupá také teplota vstupního plynu do turbíny. Lopatky turbíny jsou podrobeny vlivu vysokoteplotního plynu. Když teplota vstupního plynu do turbíny pokračuje ve zvyšování, samotné vzduchové chlazení již nemůže splnit požadavky. Tepelné bariérové nátěry, jako efektivní prostředek pro zvýšení odolnosti materiálů vysokým teplotám a korozii, jsou čím dál více používány.

Termální bariérové nátěry jsou obvykle přilepeny na povrch lopatek pomocí plazmového plamenového nasádkování nebo elektronovým paprskem. Mají vlastnosti vysokého teplotného bodu a odolnosti vůči tepelnému šoku, což může zvýšit schopnost turbínových lopatek odolávat oxidaci a tepelné korozi, snížit teplotu lopatek a prodloužit jejich životnost. Alizadeh a kol. studovali tepelně izolační účinek 0,2 mm tlustého termálního bariérového nátěru pomocí numerické simulace s plynově-tepelným spojením. Výsledky ukázaly, že maximální teplota lopatky se snížila o 19 K a průměrná teplota o 34 K. Prapamonthon a kol. zkoumali vliv intenzity turbulence na chlazení efektivity lopatek s termálním bariérovým nátěrem. Výsledky ukázaly, že termální bariérové nátěry mohou zvýšit celkovou chlazení efektivitu povrchu lopatek o 16 % do 20 % a o 8 % na zadním okraji lopatky. Zhu Jian a kol. vyvinuli jednodimenzionální ustálený model pro lopatky s nátěry z termodynamického hlediska a teoreticky analyzovali a vypočítali tepelně izolační účinek termálních bariérových nátěrů. Shi Li a kol. provedli numerické studie na C3X s termálními bariérovými nátěry. 0,3 mm keramická vrstva může snížit povrchovou teplotu lopatky o 72,6 K a zvýšit celkovou chlazení efektivitu o 6,5 %. Termální bariérový nátěr nemá vliv na rozložení chlazení efektivity povrchu lopatek. Zhou Hongru a kol. provedli numerické studie na vedoucím okraji turbínových lopatek s termálními bariérovými nátěry. Výsledky ukázaly, že termální bariérové nátěry mohou nejen snížit provozní teplotu kovových lopatek a teplotní gradient uvnitř lopatek, ale také odolávat tepelnému šoku vstupních horkých míst do určité míry. Yang Xiaoguang a kol. vypočetli dvoudimenzionální distribuci teplotního pole a stresu vodicích vanek s termálními bariérovými nátěry zadáním koeficientů vedení tepla vnějších a vnitřních povrchů lopatek. Wang Liping a kol. provedli třídimenzionální plynově-tepelné spojení analýzy na turbínových vodicích vanách s kompozitními chladicími strukturami a studovali vliv tlouštěky nátěru a záření plynu na teplotní pole nátěru. Liu Jianhua a kol. analyzovali tepelně izolační účinek termálních bariérových nátěrů pro chladicí lopatky Mark II s vícevrstvými termálními bariérovými nátěry zadáním vnitřního koeficientu vedení tepla a vnějšího plynově-tepelného spojení.

1. Metoda výpočtu

1.1 Výpočetní model

Termální bariérové nátěry jsou umístěny mezi vysokoteplotním plynem a povrchem substrátu z lopatkové slitiny a skládají se z kovové vazebné vrstvy a termálně izolační keramické vrstvy. Jejich základní struktura je znázorněna na obrázku 1. Při sestavování výpočetního modelu je ignorována vazebná vrstva s vyšší tepelnou vodivostí ve struktuře termálního bariérového nátěru a zachována je pouze termálně izolační keramická vrstva s nižší tepelnou vodivostí.

Obrázek 2 ukazuje model lopatky po nanesení tepelné bariérové vrstvy. Lopatka obsahuje vícekanálovou rotatorní chladičovou strukturu, s dvěma výfukovými filmovými chladičovými dírami na předním okraji, středovou štěrbinkovou strukturou na zadním okraji a H-tvarou brázovou strukturou na vrcholu lopatky. Tepelná bariérová vrstva je nasazena pouze na tělo lopatky a povrch spodní desky. Protože teplota pod kořenem lopatky je nízká a není to zaměření výzkumu, aby se snížilo množství výpočetních mřížek, část pod kořenem je při nastavování výpočetního modelu ignorována a konstruuje se výpočetní doménový model znázorněný na obrázku 3.

1.2 Numerická metoda výpočtu

Vnitřní geometrie chladiče vrtule je relativně složitá a je těžké použít strukturované sítě. Použití nestrukturovaných sítí významně zvyšuje výpočetní náročnost. V tomto ohledu tento článek používá generátor polyedrických sítí pro diskretizaci lopatky a plynové domény. Model sítě je znázorněn na obrázku 4.

Ve výpočetním modelu je tloušťka tepelné bariérové vrstvy extrémně malá, méně než 1/10 tloušťky stěny lopatky. Z tohoto důvodu tento článek používá generátor tenkých sítí k rozdělení tepelné bariérové vrstvy do tří vrstev polygonálních hranolových sítí. Počet vrstev tenké sítě byl ověřen jako nezávislý a má téměř žádný vliv na teplotní pole lopatky.

Obor tekutiny používá model Realizabilní K-Epsilon Two-Layer v rámci rovnic Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS) pro modelování turbulence. Tento model poskytuje větší flexibilitu pro zpracování sítě celé y+ stěny. Dokáže nejen dobře zvládnout jemné sítě (tedy typ s nízkým číslem Reynoldsova nebo sítě s nízkým y+), ale také optimálně zpracovat středně husté sítě (tedy 1＜y+＜30), což efektivně vyváží stabilitu, výpočetní náklady a přesnost.

1.3Okrajové podmínky

Vstup plynového kanálu je nastaven jako vstup celkového tlaku stagnačního vstupu, vstup chladiče je nastaven jako hmotnostní tok vstupu a výstup je nastaven jako výstup statického tlaku. Povrch nánosu v plynovém kanálu je nastaven jako povrch tekutina-pevná koupl, nános a povrch kovové čepele jsou nastaveny jako pevná rozhraní a obě strany kanálu jsou nastaveny jako rotace s periodou. Oba chladivé plyny i plyny jsou ideální plyny a tepelná kapacita a tepelná vodivost plynu jsou nastaveny pomocí Sutherlandskej formuly. Odpovídající výpočetní okrajové podmínky jsou: celkový tlak hlavního vstupu plynového kanálu je 2,5 MPa, distribuce teploty na vstupu s radiálním teplotním gradientem je znázorněna na obrázku 5, hmotnostní tok chladivého plynu v chladiči čepele je 45 g/s, celková teplota je 540 °C a výstupní tlak je 0,9 MPa. Materiál čepele je niklová jednokristalová vysokoteplotná slitina a tepelná vodivost materiálu se mění s teplotou. Pokud jde o stávající materiály, tepelné bariéry obvykle používají stabilní oxid zirkonií s yttriem (YSZ) nebo oxid zirkonií (ZrO2), jejichž tepelná vodivost má malou změnu s teplotou, takže je tepelná vodivost v počtu nastavena na 1,03 W/(m·K).

2 Analýza výsledků výpočtu

2.1 Teplota povrchu lopatky

Obrázky 6 a 7 ukazují rozložení povrchové teploty nezabaleného lopatky a metalické povrchové teploty lopatky v závislosti na různé tloušťce nátěru. Je vidět, že s kontinuálním zvyšováním tloušťky nátěru klesá povrchová teplota metalické části lopatky a zákonitost teplotního rozložení na povrchu lopatky je pro různé tloušťky zhruba stejná: teplota uprostřed stlačovací strany je nižší a u špičky lopatky vyšší. Špička lopatky je obvykle nejtěžší část celé lopatky ke chlazení, protože žebro v špičce lopatky není přímo chlazeno studeným vzduchem. V početním modelu pokrývá nátěr pouze těleso lopatky, ale špička lopatky není nátěrem pokryta. Neexistuje tudíž bariéra proti teplu ze strany plynového toku u špičky lopatky, takže vysokoteplotní oblast na špičce lopatky stále existuje.

Obrázek 8 ukazuje křivku průměrné teploty povrchu lopatky s ohledem na změnu tloušťky. Je zřejmé, že průměrná teplota povrchu lopatky klesá s rostoucí tloušťkou nánosu. Důvodem je nízká tepelná vodivost tepelné bariéry, která zvyšuje tepelný odpor mezi vysokoteplotním plynem a kovovou lopatkou, což účinně snižuje teplotu povrchu kovové lopatky. Když je tloušťka nánosu 0,05 mm, sníží se průměrná teplota těla lopatky o 21 °C, a poté, jak roste tloušťka tepelné bariéry, dále klesá teplota povrchu lopatky; když je tloušťka nánosu 0,20 mm, sníží se průměrná teplota těla lopatky o 49 °C. To je zásadně shodné s tepelným izolačním efektem měřeným Zhang Zhiqiangem a jeho kolegy prostřednictvím testu chladného efektu.

Obrázek 9 je křivka ukazující změnu povrchové teploty profilu lopatky podél axiální délky tětivy. Jak je z obrázku 9 vidět, při různých tloušťkách tepelně izolačních nátěrů je trend změny teploty podél axiální délky tětivy základně stejný a teplota vysávací strany je významně vyšší než teplota stlačovací strany. Ve směru axiální délky tětivy se teplota stlačovací a vysávací strany nejprve snižuje a pak narůstá, a v oblasti zadní hrany dochází ke jistému kolísání, které je způsobeno konstrukční formou rozdělené štěrbiny pro sprchové chlazení uprostřed zadní hrany. Zároveň se teplota lopatky s tepelně izolačním nátěrem významně snížila a pokles teploty na vysávací straně je výrazně větší než na stlačovací straně. Pokles teploty postupně klesá od přední hrany ke zadní hraně a čím blíž k přední hraně lopatky, tím větší je pokles teploty.

Měrnost teploty kovu čepele ovlivňuje stupeň tepelného stresu čepele, proto tento článek používá index měrnosti teploty k měření rovnoměrnosti teploty pevné čepele. Index měrnosti teploty:

Kde: c je objem jednotlivých jednotek, T- je objemový průměr teploty T, Tc je teplotní hodnota v síťové jednotce a Vc je objem síťové jednotky. Pokud je objemové teplotní pole rovnoměrně rozloženo, index objemové homogenity je 1. Jak je vidět z obrázku 10, po nasazení tepelné bariéry je měrnost teploty čepele významně zlepšena. Když je tloušťka nátěru 0,2 mm, zvýší se index měrnosti teploty čepele o 0,4 %.

2.2 Teplota povrchu nátěru

Změna teploty povrchu nátěru je znázorněna na obrázku 11. Jak je patrné z obrázku 11, při zvýšení tloušťky nátěru stoupá také povrchová teplota tepelné bariéry, což je přesně opakem průměrného trendu změny teploty povrchu lopatky. S rostoucí tepelnou odporností v směru tloušťky nátěru se postupně zvyšuje rozdíl teplot mezi povrchem nátěru a povrchem lopatky, a hromadící se teplo na povrchu se méně snadno šíří do kovové lopatky. Když je tloušťka nátěru 0,20 mm, dosáhne rozdíl teplot mezi vnitřkem a vnějším povrchem nátěru 86 °C.

2.3 Teplota průřezu lopatky

Obrázek 12 ukazuje rozložení teploty na vedoucích a zavádějících hranách lopatek s a bez tepelně izolačních nátěrů. Poté, co je povrch potažen tepelně izolačním nátěrem, je průřezová teplota lopatky významně snížena a teplotní gradient je zmírněn. To je proto, že po aplikaci tepelně izolačního nátěru je snížena hustota tepelného toku v nátěru. Zároveň, jelikož materiál tepelně izolačního nátěru má nízkou tepelnou vodivost, jsou změny teploty uvnitř pevného tepelně izolačního nátěru velmi dramatické.

Kontaktujte nás

Děkujeme za váš zájem o naši společnost! Jako profesionální výrobce součástek pro plynové turbíny se budeme nadále věnovat inovacím technologií a zlepšování služeb, abychom mohli nabízet více kvalitních řešení pro zákazníky po celém světě. Pokud máte jakékoliv otázky, návrhy nebo záměry spolupráce, rádi vám pomůžeme. Kontaktujte nás prosím následujícím způsobem:

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