Studie af indvirkningsmekanismen for varmebarrierbeklædning på køleffekten af turbineblader for en bestemt type gasturbine

For at få den termiske isoleringsvirkning og temperaturfordelingslov af termisk barrierebeklædning på turbineblader blev en bestemt type gasturbine højtryks turbine mobile blad med intern kølestruktur brugt som grundmodel. Kølevirkningen af højtryks turbine mobile blad med eller uden beskyttelse af termisk barrierebeklædning blev numerisk beregnet ved hjælp af gas-varme kopléringsmetoden, og indflydelsen af termisk barrierebeklædning på bladets varmeoverførsel blev undersøgt ved at ændre tykkelsen af termisk barrierebeklædning. Studiet fandt, at efter beklædning med termisk barrierebeklædning sank temperaturen på bladet betydeligt, jo tættere på ledende kanterne, desto større var temperaturenfaldet, og temperaturenfaldet på trykken er større end på sugningsiden; en termisk barrierebeklædning med en tykkelse på 0,05-0,2 mm kan reducere den gennemsnitlige temperatur på bladets metaloverflade med 21-49 ℃; når coatings tykkelse øges, bliver temperaturfordelingen inde i bladets metal mere ensartet.

Ved udviklingen af gasstrømningsmaskiner øges kraften og den termiske effektivitet af motoren for at forbedre ydelsen. Turbinindgangstemperaturen stiger også. De turbinblader, der udsættes for højtempereret gas, oplever en situation, hvor luftkjøling alene ikke længere kan opfylde kravene, når temperaturen fortsat stiger. Termiske barrierebelægninger anvendes som et effektivt middel til forbedring af materialernes modstand mod høj temperatur og korrosion, og deres anvendelse vokser.

Termiske barriereoverlæg bliver normalt fastgjort på ladeoverfladen ved plasmaflammeoversprøjning eller elektronstråledeposition. De har karakteristika som høj smeltepunkt og modstand mod termisk chok, hvilket kan forbedre turbinlades evne til at modstå oxidation og termisk korrosion, mindske ladetemperaturen og forlænge ladeens service liv. Alizadeh et al. undersøgte den termiske isoleringsvirkning af 0,2 mm termiske barriereoverlæg ved gas-varme kopléring numerisk simulering. Resultaterne viste, at ladens maksimale temperatur blev reduceret med 19 K og den gennemsnitlige temperatur blev reduceret med 34 K. Prapamonthon et al. undersøgte virkningen af turbulensintensitet på kølevirkningen af termiske barriereoverlægslader. Resultaterne viste, at termiske barriereoverlæg kan øge den samlede kølevirkning af ladefladen med 16% til 20% og 8% ved ladens bagende. Zhu Jian et al. oprettede en én-dimensionel stationær model for overlægslader fra en termodinamisk synsvinkel og teoretisk analyserede og beregnede den termiske isoleringsvirkning af termiske barriereoverlæg. Shi Li et al. foretog en numerisk studie af C3X med termiske barriereoverlæg. En 0,3 mm keramisk lag kan reducere ladeflade temperaturen med 72,6 K og øge den samlede kølevirkning med 6,5%. Termiske barriereoverlæg har ingen indvirkning på fordelingen af kølevirkningen på ladefladen. Zhou Hongru et al. foretog en numerisk studie af turbinlades førende kant med termiske barriereoverlæg. Resultaterne viste, at termiske barriereoverlæg ikke kun kan reducere metal-ladens driftstemperatur og temperaturgradienten inden i ladene, men også modstå varmekoker fra inlet varmepunkter i vis udstrækning. Yang Xiaoguang et al. beregnede to-dimensionel temperaturfeltfordeling og spænding af guidefinner med termiske barriereoverlæg ved at give varmetransferkoefficienterne for blades indre og ydre flader. Wang Liping et al. foretog en tre-dimensionel gas-varme kopléring analyse på turbineguidefinner med sammensatte kølestrukturer og studerede effekten af overlægstykkenhed og gasstråling på overlægstemperaturen. Liu Jianhua et al. analyserede den termiske isoleringsvirkning af termiske barriereoverlæg for Mark II kølelader med flere laggede termiske barriereoverlæg ved intern opsætning af varmetransferkoefficienten og ekstern gas-varme kopléring.

1.Beregningmetode

1.1Beregningmodel

Det termiske barriereoverfladebelægning er placeret mellem den højtemperatur-gas og overfladen af bladets legeringsunderlag, og består af en metalbindingsslag og et termisk isolerende keramisk lag. Dets grundlæggende struktur vises på figur 1. Når beregningsmodellen oprettes, ignoreres bindelseslaget med højere varmeledning i strukturen af det termiske barrierebelægning, og kun det termisk isolerende keramiklag med lavere varmeledning beholds.

Figur 2 viser bladmodellen efter at den er blevet behandlet med en termisk barriereklædsning. Bladet indeholder en flerkanalrotatorisk kølestruktur, med to udledningsfilmkølingshuller på den førende kant, en midterste spaltstruktur på den efterfølgende kant og en H-formet grobstuktur på bladets top. Den termiske barriereklædsning sprøjtes kun på bladkroppen og nederste kantpladeoverflade. Da temperaturen under bladrødderne er lav og ikke er fokus for forskningen, ignoreres delen under roden ved opsætning af beregningsmodellen for at reducere antallet af beregningsgitter. Beregningsdomæne-modellen vist i figur 3 konstrueres derfor.

1.2Numerisk beregningsmetode

Den indre geometri af turbinekølemaskens blad er relativt kompleks, og det er svært at bruge strukturerede gitter. Brugen af ustrukturerede gitter øger betydeligt beregningsmængden. I dette forhold anvender denne artikel en polyhedriske gittergeneratør til at gøre bladet og gasdomænet om til et gitter. Gitterinddeling, gittermodellen vises på figur 4.

I beregningsmodellen er tykkelsen af varmebarrierelaget ekstremt lille, mindre end 1/10 af bladvejrets tykkelse. Derfor bruger denne artikel en tynd gittergeneratør til at inddele varmebarrierelaget i tre lag af polygonale prismatiske gitter. Antallet af tynde gitterlag er blevet verificeret som uafhængigt, og antallet af tynde gitterlag har næsten ingen indvirkning på bladets temperaturfelt.

Den flydende domæne anvender Realizable K-Epsilon Two-Layer model i Reynolds-averaged Navier-Stokes ligninger (RANS) turbulensmodel. Denne model giver større fleksibilitet ved behandlingen af hele y+ væg. Den kan ikke kun behandle fine gitter (dvs., lav Reynolds tal type eller lave y+ gitter) godt, men også behandle mellemgitter (dvs., 1＜y+＜30) på den mest nøjagtige måde, hvilket effektivt kan balance stabilitet, beregningsomkostninger og nøjagtighed.

1.3Grænsebetingelser

Gasanløbet er indstillet som en totaltryks stagnationsindgang, køleanemagenløbet er en massestrømsindgang, og udgangen er indstillet som en statisk trykudgang. Overfladen af coatings i gaskanalen er indstillet som en fluid-solid koppelingsyde, coatinget og bladets metaloverflade er indstillet som en fast interface, og kanalens to sider er indstillet som en rotationsperiode. Begge kølgas og gas er ideelle gasser, og gasets varmekapacitet og termisk ledningsevne er indstillet ved hjælp af Sutherlands formel. De tilsvarende beregningsgrænsebetingelser er: den totale tryk på hovedstrømmen indgang i gaskanalen er 2,5 MPa, indgangstemperaturefordelingen med radial temperaturgradient vises i figur 5, kølgasindgangsstrømmen i kølkanalen i bladet er 45 g/s, den totale temperatur er 540 ℃, og udgangstrykket er 0,9 MPa. Bladstoffet er et nikkelbaseret enkeltkrystall højtemperaturspænder, og stoffets termiske ledningsevne ændrer sig med temperaturen. Med hensyn til eksisterende materialer bruges termiske barrierslag generelt stabile yttriumoxidcerium (YSZ) materialer eller ceriumoxid (ZrO2), hvis termiske ledningsevne forandrer sig lidt med temperaturen, således at termisk ledningsevne er sat til 1,03 W/(m·K) i beregningen.

2 Analyse af beregningsresultater

2.1 Bladoverfladestemperatur

Figurer 6 og 7 viser overflade temperaturfordelingen af den ulåget blad og metallens overflade temperaturfordeling af bladet ved forskellige lægningstydser, henholdsvis. Det kan ses, at når lægningstypkenhed fortsat øges, så aftager metallens overflade temperatur af bladet gradvist, og temperaturen fordelingslov af metallens overflade af bladet på forskellige tydser er i bund og grund lige, temperaturen i midten af trykoverfladen er lavere, og temperaturen ved bladeets spids er højere. Bladeets spids er normalt den sværeste del af hele bladelet at køle, og ribben i grovene ved bladeets spids er vanskelige at køle direkte med kulde luft. I beregningsmodellen dækker lægningen kun bladelets overflade, og bladeets spids er ikke dækket af lægning. Der findes ingen barriere effekt på varmen fra gas siden af bladeets spids, så den høj temperatur område ved bladeets spids eksisterer altid.

Figur 8 viser kurven for den gennemsnitlige temperatur af bladets metaloverflade, der ændrer sig med tykkelsen. Det kan ses, at den gennemsnitlige temperatur af bladets metaloverflade falder med øgningen af coatings tykkelse. Dette skyldes, at termisk isolerende coating har en lav varmeledningsevne, hvilket øger termisk modstand mellem højtemperatur-gassen og metallægret, effektivt reducerer temperaturen på metaloverfladen af bladet. Når coatings tykkelse er 0,05 mm, falder den gennemsnitlige temperatur af bladkroppen med 21 °C, og derefter, når tykkelsen af det termiske barrierelag stiger, fortsætter temperaturen på bladets overflade med at falde; når coatings tykkelse er 0,20 mm, falder den gennemsnitlige temperatur af bladkroppen med 49 °C. Dette er i væsentlig grad konsekvent med den termiske isoleringseffekt, som Zhang Zhiqiang et al. målte ved hjælp af køleffekt-prøve.

Figur 9 er en kurve, der viser ændringen i overfladetemperaturen af bladsektionen langs den axiale akslængde. Som det kan ses af figur 9, er temperatureændrings Trends langs den axiale akslængde under forskellige tykkelse af varmebarrierelakering næsten den samme, og temperaturen på sugningsfladen er betydeligt højere end temperaturen på tryksfladen. I retningen af den axiale akslængde falder temperaturen på først tryksfladen og derefter sugningsfladen, og der er en vis fluctuation i efterkantområdet, hvilket skyldes strukturen af splidspræk-køling i midten af efterkanterne. Samtidig falder temperaturen på bladet med varmebarrierelakering betydeligt, og temperaturen falder mere på sugningsfladen end på tryksfladen. Temperaturen falder gradvist fra forankelsen til efterkanten, og jo tættere på bladets forankelsesområde, desto større er temperaturen falder.

Enheden af bladmetallens temperatur påvirker bladets termiske spændingsniveau, så denne artikel bruger en temperaturuniformitetsindeks til at måle temperaturens ensartethed på det faste blad. Temperaturuniformitetsindeks:

Hvor: c er rumfanget af hver enhed, T- er gennemsnitlig temperatur af T, Tc er temperaturværdien i gitterenheden, og Vc er rumfanget af gitterenheden. Hvis volumetemperaturenfeltet er ensartet fordelt, er volumenens uniformitetsindeks 1. Som kan ses af figur 10, efter sprayning af termisk barrierebeklædning, er bladets temperaturuniformitet betydeligt forbedret. Når beklædningstjækkenhed er 0,2 mm, er bladets temperaturuniformitetsindeks øget med 0,4%.

2.2 Beklædningsoverfladestemperatur

Temperaturændringen på overfladen af belægningen er vist i figur 11. Som det kan ses af figur 11, øges overfladetemperaturen på termisk barrierebelægning med stigningen i belægnings tykkelse, hvilket er præcist modsat den gennemsnitlige temperaturændrings trend for bladets overflade. Med stigende termisk modstand i belægnings tykkelsen, vokser temperaturen mellem belægningens overflade og bladets overflade gradvist, og det samlede varme på overfladen bliver mere vanskeligt at spredes til metallbladet. Når belægnings tykkelsen er 0,20 mm, når forskellen i temperatur mellem indersiden og udersiden af belægningen 86 °C.

2.3 Bladets tværsnits temperatur

Figur 12 viser temperaturfordelingen af førende og efterfølgende kanter af blader med og uden termiske barrierskikninger. Efter at overfladen er blevet behandlet med termiske barrierskikninger, reduceres bladets tværsnits temperatur betydeligt, og temperaturgradienten lettes. Dette skyldes, at efter anvendelse af termiske barrierskikninger reduceres varmestrømsdensiteten i skikningen. Samtidig, da materialet i termiske barrierskikninger har en lav varmeledningsevne, ændres temperaturen meget kraftigt inden for de faste termiske barrierskikninger.

Kontakt os

Tak for din interesse i vores virksomhed! Som en professionel producent af gasturbinekomponenter vil vi fortsat være dedikeret til teknologisk innovation og serviceforbedring, for at levere flere højkvalitets løsninger til kunder over hele verden. Hvis du har nogle spørgsmål, forslag eller samarbejdsvilje, vil vi meget gerne hjælpe dig. Kontakt os venligst på følgende måder:

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