Studie über den Einflussmechanismus von Wärmeschutzbeschichtung auf die Kühlwirkung von Turbinenschaufeln eines bestimmten Typs von Gasturbinen

Um den Wirkungsgrad der thermischen Isolation und das Temperaturverteilungsgesetz der thermischen Barrierebeschichtung auf Turbinenschaufeln zu untersuchen, wurde eine bestimmte Art von Gasturbinen-Hochdruckturbinenbewegungsblatt mit internem Kühlstruktur als Basismodell verwendet. Die Kühlleistung des Hochdruckturbine-Bewegungsblatts mit oder ohne thermische Barrierebeschichtungsschutz wurde mittels Gas-Wärme Kopplungsmethode numerisch berechnet, und der Einfluss der thermischen Barrierebeschichtung auf die Wärmeübertragung an der Schaufel wurde durch Änderung der Dicke der thermischen Barrierebeschichtung untersucht. Die Studie fand heraus, dass nach dem Aufbringen der thermischen Barrierebeschichtung die Temperatur der Schaufel erheblich sank, je näher an der Vorderkante, desto größer war der Temperaturabfall, und der Temperaturabfall auf der Druckseite war größer als auf der Saugseite; eine thermische Barrierebeschichtung mit einer Dicke von 0,05-0,2 mm kann die durchschnittliche Temperatur der Metalloberfläche der Schaufel um 21-49 °C senken; wenn die Beschichtungsdicke zunimmt, wird die Temperaturverteilung im Inneren des Schaufelmetalls gleichmäßiger.

Beim Entwickeln von Gasturbinen wird, um die Leistung und thermische Effizienz des Motors zu verbessern, auch die Turbineneinletttemperatur erhöht. Die Turbinenschaufeln sind dem Einfluss von Hochtemperaturgasen ausgesetzt. Wenn die Turbineneinletttemperatur weiter ansteigt, reicht alleinige Luftkühlung nicht mehr aus. Wärmebarriereschichten dienen als effektives Mittel zur Verbesserung der Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Materialien und werden zunehmend eingesetzt.

Wärmebarrierschichten werden im Allgemeinen durch Plasmabrennspritzverfahren oder Elektronenstrahldeposition auf die Schaufeloberfläche aufgetragen. Sie weisen die Eigenschaften eines hohen Schmelzpunktes und einer Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Schock auf, was die Fähigkeit von Turbinenschaufeln erhöhen kann, Oxidation und thermische Korrosion zu widerstehen, die Schaufeltemperatur senken und die Lebensdauer der Schaufeln verlängern kann. Alizadeh et al. untersuchten den thermischen Isolierungseffekt von 0,2 mm dicken Wärmebarrierschichten mittels gas-wärmegekoppelter numerischer Simulation. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die maximale Schaufeltemperatur um 19 K und die durchschnittliche Temperatur um 34 K verringerte. Prapamonthon et al. untersuchten den Einfluss der Turbulenzintensität auf die Kühlleistung von Wärmebarrierschicht-Schaufeln. Die Ergebnisse zeigten, dass Wärmebarrierschichten die gesamte Kühlleistung der Schaufeloberfläche um 16 % bis 20 % und am trailing edge der Schaufel um 8 % erhöhen können. Zhu Jian et al. stellten ein eindimensionales stationäres Modell für beschichtete Schaufeln aus thermodynamischer Sicht auf und analysierten und berechneten theoretisch den thermischen Isolierungseffekt von Wärmebarrierschichten. Shi Li et al. führten eine numerische Untersuchung an C3X mit Wärmebarrierschichten durch. Eine 0,3 mm dicke keramische Schicht kann die Schaufeloberflächentemperatur um 72,6 K senken und die gesamte Kühlleistung um 6,5 % erhöhen. Die Wärmebarrierschicht hat keinen Einfluss auf die Verteilung der Kühlleistung der Schaufeloberfläche. Zhou Hongru et al. führten eine numerische Untersuchung am führenden Rand von Turbinenschaufeln mit Wärmebarrierschichten durch. Die Ergebnisse zeigten, dass Wärmebarrierschichten nicht nur die Betriebstemperatur der metallenen Schaufeln und das Temperaturgradient innerhalb der Schaufeln senken können, sondern auch in gewissem Maße dem thermischen Schock der Eingangsschlagstellen widerstehen können. Yang Xiaoguang et al. berechneten die zweidimensionale Temperaturfeldverteilung und Spannung von Leitblättern mit Wärmebarrierschichten unter Berücksichtigung der Wärmeübertragungskoeffizienten der Innenseiten und Außenseiten der Schaufeln. Wang Liping et al. führten eine dreidimensionale Gas-Wärmegekoppelungsanalyse an Turbinenleitblättern mit kompositen Kühlstrukturen durch und untersuchten die Auswirkungen von Beschichtungsdicke und Gasstrahlung auf das Temperaturfeld der Beschichtung. Liu Jianhua et al. analysierten den thermischen Isolierungseffekt von Wärmebarrierschichten für Mark II Kühlblätter mit mehrschichtigen Wärmebarrierschichten durch internes Setzen des Wärmeübertragungskoeffizienten und äußere Gas-Wärmegekoppelung.

1. Berechnungsmethode

1.1 Rechenmodell

Die thermische Barrierschicht befindet sich zwischen dem Hochtemperaturgas und der Oberfläche des Schaufellegierungssubstrats und besteht aus einer Metallbindeschicht und einer thermisch isolierenden Keramikschicht. Ihre grundlegende Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Beim Aufbau des Berechnungsmodells wird die Bindeschicht mit höherer Wärmeleitfähigkeit in der Struktur der thermischen Barrierschicht vernachlässigt, und nur die thermisch isolierende Keramikschicht mit geringerer Wärmeleitfähigkeit bleibt erhalten.

Abbildung 2 zeigt das Schaufelmodell nach dem Beschichten mit einer thermischen Barrierebeschichtung. Die Schaufel enthält eine mehrkanalige Drehkühlstruktur, mit zwei Abgasfilmkühlöffnungen an der Vorderkante, einer mittleren Spaltstruktur an der Hinterkante und einer H-förmigen Rinne am Schaufelspitzenbereich. Die thermische Barrierebeschichtung wird nur auf den Schaufelkörper und die untere Kantenplatte gesprüht. Da die Temperatur unterhalb des Schaufelansatzes niedrig ist und nicht im Fokus der Forschung steht, wird dieser Teil bei der Erstellung des Berechnungsmodells ignoriert, um die Anzahl der Berechnungsgitter zu reduzieren, und es wird das in Abbildung 3 gezeigte Berechnungsdomänenmodell erstellt.

1.2 Numerisches Berechnungsverfahren

Die interne Geometrie der Turbinenkühlblatt ist relativ komplex, und es ist schwierig, strukturierte Gitter zu verwenden. Die Verwendung von unstrukturierten Gittern erhöht die Berechnungsmenge erheblich. In diesem Zusammenhang verwendet dieser Artikel einen polyedrischen Gittergenerator, um das Blatt und das Gasgebiet zu maschen. Das Maschenmodell wird in Abbildung 4 gezeigt.

Im Berechnungsmodell ist die Dicke der Wärmeisolierschicht extrem klein, weniger als 1/10 der Dicke der Blattwand. Aus diesem Grund verwendet dieser Artikel einen dünnen Maschengenerator, um die Wärmeisolierschicht in drei Schichten aus polygonalen prismatischen Maschen aufzuteilen. Die Anzahl der dünnen Maschenschichten wurde als unabhängig verifiziert, und die Anzahl der dünnen Maschenschichten hat nahezu keinen Einfluss auf das Temperaturfeld des Blatts.

Das Fluidgebiet verwendet das Realizable K-Epsilon Two-Layer-Modell in den Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) Turbulenzmodell. Dieses Modell bietet größere Flexibilität für die Gitterverarbeitung der gesamten y+-Wand. Es kann nicht nur feine Gitter (d.h. Niedrig-Reynolds-Zahl-Typ oder niedrige y+-Gitter) gut verarbeiten, sondern auch mittlere Gitter (d.h. 1<y+<30) auf die genaueste Weise, was Stabilität, Rechenkosten und Genauigkeit effektiv ausbalancieren kann.

1.3 Randbedingungen

Die Gaszuführung ist als Totaldruck-Stagnationszuführung eingestellt, die Kühl-Luftzuführung ist eine Massenstromzuführung und der Auslass ist als statischer Druckauslass eingestellt. Die Beschichtungsfläche im Gaskanal ist als Fluid-Feststoff-Kopplungsfläche definiert, die Beschichtung und die Klingelmetaloberfläche sind als Feststoffgrenzfläche definiert, und die beiden Seiten des Kanals sind als Rotationsperiode definiert. Sowohl das Kaltgas als auch das Gas sind ideale Gase, und die Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Gases werden mit der Sutherland-Formel festgelegt. Die entsprechenden Berechnungsrandbedingungen lauten: Der Totaldruck am Hauptstrom-Einlass des Gaskanals beträgt 2,5 MPa, die Eintrittstemperaturverteilung mit radialem Temperaturgradienten ist in Abbildung 5 dargestellt, der Kaltgas-Durchfluss im Kühlkanal der Klinge beträgt 45 g/s, die Gesamptemperatur beträgt 540 °C und der Auslassdruck beträgt 0,9 MPa. Das Klingematerial ist ein nikelbasierter Einkristall-Hochtemperaturlegierung, wobei sich die Wärmeleitfähigkeit des Materials mit der Temperatur ändert. Angesichts der bestehenden Materialien werden thermische Barrierebeschichtungen im Allgemeinen aus stabilen Yttrium-Zirkoniumoxiden (YSZ)-Materialien oder Zirkoniumoxid (ZrO2) hergestellt, deren Wärmeleitfähigkeit sich nur unwesentlich mit der Temperatur ändert, daher wird die Wärmeleitfähigkeit im Rechenmodell auf 1,03 W/(m·K) gesetzt.

2 Analyse der Berechnungsergebnisse

2.1 Klingenoberflächentemperatur

Abbildungen 6 und 7 zeigen jeweils die Oberflächentemperaturverteilung des unbeschichteten Blattes sowie die Metall-Oberflächentemperaturverteilung des Blattes bei unterschiedlichen Beschichtungsdicken. Es ist zu sehen, dass mit zunehmender Beschichtungsdicke die Metall-Oberflächentemperatur des Blattes allmählich abnimmt und das Temperaturverteilungsgesetz der Metall-Oberfläche des Blattes bei unterschiedlichen Dicken im Wesentlichen gleich bleibt: Die Temperatur in der Mitte der Druckseite ist niedriger, während die Temperatur am Blattspitzenbereich höher ist. Der Blattspitzenbereich ist normalerweise der schwierigste Teil des gesamten Blattes zu kühlen, und die Rippen am Blattspitzenbereich können nicht direkt durch kalte Luft gekühlt werden. Im Berechnungsmodell bedeckt die Beschichtung nur die Oberfläche des Blattkörpers, und die Blattspitze ist nicht mit einer Beschichtung versehen. Es gibt daher keine Barriere für die Wärme von der Gasseite der Blattspitze, weshalb sich der Hochtemperaturbereich an der Blattspitze weiterhin hält.

Abbildung 8 zeigt die Kurve der durchschnittlichen Temperatur der Klingenschichtmetalloberfläche im Verhältnis zur Dicke. Es ist zu sehen, dass die durchschnittliche Temperatur der Klingenschichtmetalloberfläche mit zunehmender Dicke des Beschichtungsmaterials abnimmt. Dies liegt daran, dass die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Barrierebeschichtung gering ist, was den thermischen Widerstand zwischen dem Hochtemperaturgas und der Metallklinge erhöht und somit effektiv die Temperatur der Klingenschichtmetalloberfläche reduziert. Wenn die Beschichtungsdicke 0,05 mm beträgt, verringert sich die durchschnittliche Temperatur des Klingenkörpers um 21 °C, und dann nimmt mit zunehmender Dicke der thermischen Barrierebeschichtung weiter die Klingenoberflächentemperatur ab; wenn die Beschichtungsdicke 0,20 mm beträgt, verringert sich die durchschnittliche Temperatur des Klingenkörpers um 49 °C. Dies ist im Wesentlichen konsistent mit dem durch Zhang Zhiqiang et al. mittels eines Kalteffekts-Tests gemessenen thermischen Isolierungseffekt.

Abbildung 9 zeigt eine Kurve, die die Änderung der Oberflächentemperatur des Schaufelquerschnitts entlang der axialen Sehnenlänge darstellt. Wie aus Abbildung 9 ersichtlich ist, ist der Temperaturänderungstrend entlang der axiale Sehnenlänge bei unterschiedlichen Dicken von thermischen Barrierebeschichtungen im Wesentlichen gleich, und die Temperatur der Saugseite ist erheblich höher als die Temperatur der Druckseite. In Richtung der axialen Sehnenlänge nimmt die Temperatur der Druck- und Saugseite zunächst ab und dann wieder zu, wobei es in der Trailing-Edge-Bereich eine gewisse Schwankung gibt, die durch die strukturelle Form der geteilten-Spalt-Spray-Kühlung in der Mitte der Trailing Edge verursacht wird. Gleichzeitig sinkt die Temperatur der mit einer thermischen Barrierebeschichtung versehenen Schaufel erheblich, und der Temperaturrückgang auf der Saugseite ist deutlich größer als auf der Druckseite. Der Temperaturrückgang nimmt vom Leading Edge zum Trailing Edge allmählich ab, und je näher man an den Vorderkanten der Schaufel kommt, desto größer ist der Temperaturrückgang.

Die Einheitlichkeit der Schwermetalltemperatur beeinflusst das thermische Spannungslevel der Klinge, daher verwendet dieser Artikel den Temperaturgleichmäßigkeit-Index, um die Temperaturgleichmäßigkeit der festen Klinge zu messen. Temperaturgleichmäßigkeit-Index:

Dabei: c ist das Volumen jeder Einheit, T- ist der Volumendurchschnitt der Temperatur T, Tc ist der Temperaturwert in der Gittereinheit und Vc ist das Volumen der Gittereinheit. Wenn das Volumentemperaturfeld gleichmäßig verteilt ist, beträgt der Volumengleichmäßigkeit-Index 1. Wie aus Abbildung 10 ersichtlich wird, wird die Temperaturgleichmäßigkeit der Klinge nach dem Sprühen der thermischen Barrierebeschichtung erheblich verbessert. Bei einer Beschichtungsdicke von 0,2 mm steigt der Temperaturgleichmäßigkeit-Index der Klinge um 0,4 %.

2.2 Beschichtungs-Oberflächentemperatur

Die Temperaturänderung der Beschichtungsfläche ist in Abbildung 11 dargestellt. Wie aus Abbildung 11 ersichtlich ist, nimmt die Oberflächen temperatur der thermischen Barrierebeschichtung mit zunehmender Beschichtungsdicke weiter zu, was genau dem entgegengesetzten Trend der durchschnittlichen Temperaturänderung der Klinge entspricht. Mit dem Anstieg des thermischen Widerstands in Richtung der Beschichtungsdicke nimmt die Temperaturdifferenz zwischen der Beschichtungsfläche und der Klingenoberfläche allmählich zu, und das auf der Oberfläche angesammelte Wärme diffundiert schwerer zum metallenen Blatt. Wenn die Beschichtungsdicke 0,20 mm beträgt, erreicht die Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außenseite der Beschichtung 86 °C.

2.3 Querschnittstemperatur der Klinge

Abbildung 12 zeigt die Temperaturverteilung am führenden und nachfolgenden Rand der Schaufeln mit und ohne thermische Barrierebeschichtung. Nachdem die Oberfläche mit einer thermischen Barrierebeschichtung überzogen wurde, verringert sich die Querschnittstemperatur der Schaufel erheblich und das Temperaturgradient wird gemildert. Dies liegt daran, dass nach der Anwendung der thermischen Barrierebeschichtung die Wärmeflussdichte in der Beschichtung reduziert wird. Gleichzeitig verändert sich die Temperatur innerhalb der Festkörper der thermischen Barrierebeschichtung aufgrund des geringen Wärmeleitvermögens des Materials sehr stark.

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