Μελέτη για το μηχανισμό επιρροής της θερμοαποκλειστικής κάλυψης στην ψύξη των σφαιρικών φύλλων ενός συγκεκριμένου τύπου αεριού κινητήρα

Για να επιτευχθεί ο απομακρυντικός αποτέλεσμα θερμότητας και η νόμιμη κατανομή της θερμοκρασίας στο θερμοαπομακρυντικό υφήμα πάνω στα καταπόλες, χρησιμοποιήθηκε ένα συγκεκριμένο είδος αεριού τουρμπίνης με υψηλή πίεση κινούμενου καταπόλες με εσωτερική δομή ψύξης ως βασικό μοντέλο. Η ψυκτική αποτελεσματικότητα των κινούμενων καταπόλεων της τουρμπίνης με υψηλή πίεση με ή χωρίς προστασία από θερμοαπομακρυντικό υφήμα υπολογίστηκε αριθμητικά με τη μέθοδο συζευγμένων αερίων-θερμότητας, και μελετήθηκε η επίδραση του θερμοαπομακρυντικού υφήματος στη μεταφορά θερμότητας του καταπόλεων αλλάζοντας το πάχος του θερμοαπομακρυντικού υφήματος. Η μελέτη αποκάλυψε ότι μετά την κατάκαλυψη με θερμοαπομακρυντικό υφήμα, η θερμοκρασία του καταπόλεων μειώθηκε σημαντικά, όσο πιο κοντά στο μπροστινό άκρο, τόσο μεγαλύτερη η μείωση της θερμοκρασίας, και η μείωση της θερμοκρασίας στην πλευρά πίεσης ήταν μεγαλύτερη από εκείνη στην πλευρά εισαγωγής· το θερμοαπομακρυντικό υφήμα με πάχος 0,05-0,2 mm μπορεί να μειώσει τη μέση θερμοκρασία της μεταλλικής επιφάνειας του καταπόλεων κατά 21-49 ℃· ως αύξει το πάχος της κάλυψης, η κατανομή της θερμοκρασίας μέσα στο μεταλλικό εσωτερικό του καταπόλεων θα γίνει πιο ομοιόμορφη.

Στην ανάπτυξη αεριού τουρμινών, για να βελτιωθεί η δύναμη και η θερμική απόδοση του μηχανήματος, η θερμοκρασία εισόδου της τουρμίνης αυξάνεται επίσης. Οι φύλλα της τουρμίνης υφίστανται την επίδραση υψηλόθερμων αερίων. Όταν η θερμοκρασία εισόδου της τουρμίνης συνεχίζει να αυξάνεται, η εναέρια κύλιση μόνη δεν μπορεί πλέον να καλύψει τις απαιτήσεις. Οι θερμικές μπάριερ επιβλύσεις, ως αποτελεσματικός τρόπος για να βελτιωθεί η αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες και η αντοχή στην καταστροφή των υλικών, έχουν χρησιμοποιηθεί με αυξανόμενο ρυθμό.

Οι θερμοαποκλειστικές καλύψεις γενικά επιδεχθούν στην επιφάνεια των φολιών με πλάσμα φλόγας ή ηλεκτρονική ακτίνα. Έχουν τις χαρακτηριστικές υψηλού σημείου καυσιμότητας και αντοχής στο θερμικό σοκ, που μπορούν να βελτιώσουν την ικανότητα των φολιών του τουρμπινού να αντισταθούν στην οξείδωση και την θερμική διάβρωση, να μειώσουν τη θερμοκρασία των φολιών και να επεκτείνουν την ζωή τους. Οι Alizadeh και συν. μελέτησαν το θερμοαποκλειστικό αποτέλεσμα 0,2 mm θερμοαποκλειστικών καλύψεων με αριθμητική προσομοίωση γεωμετρικής-θερμικής σύνδεσης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μέγιστη θερμοκρασία του φολιού μειώθηκε κατά 19 K και η μέση θερμοκρασία κατά 34 K. Οι Prapamonthon και συν. μελέτησαν την επίδραση της έντασης της δυσκολίας στην αποτελεσματικότητα της ψύξης των φολιών με θερμοαποκλειστικές καλύψεις. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι θερμοαποκλειστικές κάλυψεις μπορούν να αυξήσουν την συνολική αποτελεσματικότητα ψύξης της επιφάνειας του φολιού κατά 16% έως 20% και 8% στον πίσω άκρο του φολιού. Οι Zhu Jian και συν. δημιούργησαν ένα μονοδιάστατο σταθερό μοντέλο για τα φολιά με κάλυψη από θερμικής οπτικής γωνίας και θεωρητικά ανάλυσαν και υπολογίστηκαν το θερμοαποκλειστικό αποτέλεσμα των θερμοαποκλειστικών καλύψεων. Οι Shi Li και συν. έκαναν μια αριθμητική μελέτη στο C3X με θερμοαποκλειστικές κάλυψεις. Μια κεραμική στρώση 0,3 mm μπορεί να μειώσει τη θερμοκρασία της επιφάνειας του φολιού κατά 72,6 K και να αυξήσει την συνολική αποτελεσματικότητα ψύξης κατά 6,5%. Η θερμοαποκλειστική κάλυψη δεν έχει επιρροή στην κατανομή της αποτελεσματικότητας ψύξης της επιφάνειας του φολιού. Οι Zhou Hongru και συν. έκαναν μια αριθμητική μελέτη στο μπροστά άκρο των φολιών του τουρμπινού με θερμοαποκλειστικές κάλυψεις. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι θερμοαποκλειστικές κάλυψεις μπορούν να μειώσουν όχι μόνο τη λειτουργική θερμοκρασία των μεταλλικών φολιών και το θερμικό κλίμακα μέσα στα φολιά, αλλά και να αντισταθούν στο θερμικό σοκ των θερμών σημείων εισόδου μερικώς. Οι Yang Xiaoguang και συν. υπολογίστηκαν η διάδοση της διδιάστατης θερμοκρασίας και η τάση των καθοδικών φολιών με θερμοαποκλειστικές κάλυψεις με την παροχή των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας των εσωτερικών και εξωτερικών επιφανειών των φολιών. Οι Wang Liping και συν. έκαναν μια τριδιάστατη γεωμετρική-θερμική σύνδεση στα καθοδικά φολιά με σύνθετες δομές ψύξης και μελέτησαν τις επιπτώσεις του πάχους της κάλυψης και της ακτινοβολίας του αερίου στο θερμικό πεδίο της κάλυψης. Οι Liu Jianhua και συν. ανάλυσαν το θερμοαποκλειστικό αποτέλεσμα των θερμοαποκλειστικών καλύψεων για τα φολιά ψύξης Mark II με πολυστρωτικές θερμοαποκλειστικές κάλυψεις με εσωτερική ρύθμιση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και εξωτερική γεωμετρική-θερμική σύνδεση.

1.Μέθοδος υπολογισμού

1.1Υπολογιστικό μοντέλο

Το θερμοαποκρουστικό κάλυμα βρίσκεται μεταξύ του υψηλόθερμου αερίου και της επιφάνειας της υποβάσης σύγχυτης της φολιάς, και αποτελείται από ένα μεταλλικό δεσμώτικο στρώμα και ένα θερμοαποκρουστικό κεραμικό στρώμα. Η βασική δομή του παρουσιάζεται στον Κύκλο 1. Όταν κατασκευάζεται το μοντέλο υπολογισμού, το δεσμώτικο στρώμα με την υψηλότερη θερμική διαφορά στη δομή του θερμοαποκρουστικού κάλυματος αγνοείται, και διατηρείται μόνο το θερμοαποκρουστικό κεραμικό στρώμα με την χαμηλότερη θερμική διαφορά.

Η Φιγούρα 2 δείχνει το μοντέλο της φούσκας μετά την κατάκρυψή της με θερμική φραγμοποίηση. Η φούσκα περιέχει μια πολυ-κανάλια γιροστατική δομή ψύξης, με δύο αποφυγές φιλμ ψύξης στο πρώτιστο άκρο, μια μεσιανή δομή σχισμού στο δεύτεριστο άκρο και μια δομή βάθους μορφής H στην κορωνίδα της φούσκας. Η θερμική φραγμοποίηση κατακρύπτεται μόνο στο σώμα της φούσκας και την επιφάνεια της κάτω πλάκας. Επειδή η θερμοκρασία κάτω από την ρίζα της φούσκας είναι χαμηλή και δεν είναι ο κύριος στόχος της έρευνας, για να μειωθεί ο αριθμός των υπολογιστικών πλέγματων, η μέρος κάτω από την ρίζα αγνοείται όταν ρυθμίζεται το υπολογιστικό μοντέλο, και κατασκευάζεται το υπολογιστικό μοντέλο της περιοχής που εμφανίζεται στην Φιγούρα 3.

1.2Μέθοδος αριθμητικού υπολογισμού

Η εσωτερική γεωμετρία του κούλιου ψύξης του τουρμπίνα είναι σχετικά περίπλοκη, και είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν δομημένα δικτυάκα. Η χρήση ανεπιτρόπευτων δικτυάκων αυξάνει σημαντικά το υπολογιστικό μέγεθος. Σε αυτό το πλαίσιο, αυτή η εργασία χρησιμοποιεί έναν παραγωγό πολυεδρων δικτυάκων για να διαχωρίσει το κούλιο και το χώρο των αερίων. Η διαχωριστική μοντελοποίηση εμφανίζεται στον κύριο 4.

Στον υπολογιστικό μοντέλο, η απόκεντρος του θερμοαντισταλτικού καλύψιμου είναι εξαιρετικά μικρή, λιγότερη από 1/10 της απόκεντρος του τοιχώματος του κούλιου. Για αυτόν τον λόγο, αυτή η εργασία χρησιμοποιεί έναν παραγωγό λεπτών δικτυάκων για να διαιρέσει το θερμοαντισταλτικό κάλυμα σε τρεις στρώσεις πολυγωνικών πριζματοειδών δικτυάκων. Το πλήθος των στρωμάτων λεπτών δικτυάκων έχει επιβεβαιωθεί ως ανεξάρτητο, και το πλήθος των στρωμάτων λεπτών δικτυάκων έχει σχεδόν καμία επίδραση στο θερμοκηπιακό πεδίο του κούλιου.

Το υγρό τομέα εφαρμόζει το μοντέλο Realizable K-Epsilon Two-Layer στις εξισώσεις Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) για το μοντέλο ρεύματος. Αυτό το μοντέλο προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία για την επεξεργασία του δικτύου καθώς και για όλο τον τοιχο y+. Μπορεί να αντιμετωπίσει με επιτυχία λεπτά δίκτυα (δηλαδή, τύπου μικρού αριθμού Reynolds ή μικρού y+ δικτύου) καθώς και δικτύα μεσαίου μεγέθους (δηλαδή, 1<y+<30) με τον πιο ακριβή τρόπο, που μπορεί να ισορροπήσει αποτελεσματικά τη σταθερότητα, το υπολογιστικό κόστος και την ακρίβεια.

1.3 Συνθήκες σύνορου

Η εισαγωγή αερίου ορίζεται ως εισαγωγή συνολικής πίεσης με κατάπαυση, η εισαγωγή ψύξιμου αέρα ως εισαγωγή μάζας, ενώ η έξοδος ορίζεται ως έξοδος στατικής πίεσης. Η επιφάνεια καλύψης στο διάδρομο του αερίου ορίζεται ως επιφάνεια ρευστό-στερεού συνδυασμού, η κάλυψη και η μεταλλική επιφάνεια της φολιάς ως στερεό διεπαφή, και τα δύο πλευρά του διαδρόμου ως περιοδική περιστροφή. Και το ψυχρό αέριο και το αέριο είναι αδιάβατα αέρια, και η θερμική ικανότητα και η θερμική διαχύτηση του αερίου ορίζονται χρησιμοποιώντας την τύπο Sutherland. Οι αντίστοιχες υπολογιστικές συνθήκες συνόρου είναι: η συνολική πίεση της κύριας εισαγωγής στον διάδρομο του αερίου είναι 2,5 MPa, η κατανομή εισαγωγικής θερμοκρασίας με ακτινιακό θερμικό διάβαθμα εμφανίζεται στον Σχεδιασμό 5, η ροή ψυχρού αερίου στην εισαγωγή του ψυχρού διαδρόμου της φολιάς είναι 45 g/σεκ., η συνολική θερμοκρασία είναι 540 °C, και η πίεση της έξοδου είναι 0,9 MPa. Το υλικό της φολιάς είναι ένας υδραργυροβασικός μονοκριστάλλινος υψηλής θερμοκρασίας σύμμικτος, και η θερμική διαχύτηση του υλικού αλλάζει με τη θερμοκρασία. Μέχρι σήμερα, οι θερμικές φραγμούς κάλυψεις χρησιμοποιούν γενικά σταθερά υδραργυρικά διοξείδιο (YSZ) υλικά ή διοξείδιο υδραργυρίου (ZrO2), των οποίων η θερμική διαχύτηση αλλάζει λίγο με τη θερμοκρασία, έτσι ότι η θερμική διαχύτηση ορίζεται ως 1,03 W/(m·K) στον υπολογισμό.

2 Ανάλυση των αποτελεσμάτων υπολογισμού

2.1 Θερμοκρασία επιφάνειας του φύλλου

Οι διαγράμματα 6 και 7 δείχνουν την κατανομή της επιφανειακής θερμοκρασίας της μη επιβλητής λεπίδας και την κατανομή της μεταλλικής επιφανειακής θερμοκρασίας της λεπίδας σε διαφορετικές αποστάσεις επιβλύσης, αντίστοιχα. Βλέπεται ότι όπως η απόσταση της επιβλύσης συνεχίζει να αυξάνεται, η μεταλλική επιφανειακή θερμοκρασία της λεπίδας μειώνεται γradually, και η νόμιμη κατανομή της μεταλλικής επιφάνειας της λεπίδας σε διαφορετικές αποστάσεις είναι περίπου η ίδια, με τη θερμοκρασία στο μεσιά της πλευράς πίεσης να είναι χαμηλότερη και η θερμοκρασία στο άκρο της λεπίδας να είναι υψηλότερη. Το άκρο της λεπίδας είναι συνήθως το δυσκολότερο μέρος της λεπίδας να ψυγεί, και τα κοιλά ράβδια στο άκρο της λεπίδας δεν μπορούν να ψυγούν άμεσα από κρύο αέρα. Στον υπολογιστικό μοντέλο, η επιβλύση καλύπτει μόνο την επιφάνεια του σώματος της λεπίδας, και το άκρο της λεπίδας δεν καλύπτεται από επιβλύση. Δεν υπάρχει εμπόδιο στην θερμότητα από την πλευρά του αερίου στο άκρο της λεπίδας, έτσι ώστε η υψηλή θερμοκρασία στο άκρο της λεπίδας να υπάρχει πάντα.

Η Σχεδιασμός 8 δείχνει τη καμπύλη της μέσης θερμοκρασίας της μετάλλευτης επιφάνειας του φύλλου να αλλοιώνεται με το πάχος. Μπορεί να δει ότι η μέση θερμοκρασία της μετάλλευτης επιφάνειας μειώνεται με την αύξηση του πάχους της κάλυψης. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμική διαγωγικότητα της θερμοαποκλειστικής κάλυψης είναι χαμηλή, που αυξάνει τη θερμική αντίσταση μεταξύ του υψηλόθερμου αερίου και του μετάλλευτου φύλλου, μειώνοντας αποτελεσματικά τη θερμοκρασία της μετάλλευτης επιφάνειας. Όταν το πάχος της κάλυψης είναι 0,05 mm, η μέση θερμοκρασία του σώματος του φύλλου μειώνεται κατά 21 °C, και στη συνέχεια, όσο αυξάνει το πάχος της θερμοαποκλειστικής κάλυψης, η θερμοκρασία της επιφάνειας του φύλλου συνεχίζει να μειώνεται. Όταν το πάχος της κάλυψης είναι 0,20 mm, η μέση θερμοκρασία του σώματος του φύλλου μειώνεται κατά 49 °C. Αυτό είναι βασικά συνεπαλλελό με τον θερμικό απομακρυσμό που μετρήθηκε από τον Ζανγ Τζιτσιανγ και συναδέλφους μέσω του δοκιμίου κρύου απομακρυσμού.

Η Βάθμη 9 είναι μια καμπύλη που δείχνει την αλλαγή της επιφανειακής θερμοκρασίας της τομής του φύλλου κατά μήκος του αξονικού χορδικού μήκους. Όπως φαίνεται στην Βάθμη 9, υπό διαφορετικές αποστάσεις των θερμοπροστατικών καλύψεων, η τάση της αλλαγής της θερμοκρασίας κατά μήκος του αξονικού χορδικού μήκους είναι βασικά η ίδια, και η θερμοκρασία της επιφάνειας εισαγωγής είναι σημαντικά υψηλότερη από την θερμοκρασία της επιφάνειας πίεσης. Στην κατεύθυνση του αξονικού χορδικού μήκους, η θερμοκρασία της επιφάνειας πίεσης και της επιφάνειας εισαγωγής μειώνεται και μετά αυξάνεται, και υπάρχει μια συγκεκριμένη αλλοίωση στην περιοχή της πλάτης, η οποία προκαλείται από τη δομική μορφή της διαχωρισμένης-σχισμένης ψύξης με ατμίσεις στο μεσαίο μέρος της πλάτης. Επίσης, η θερμοκρασία του φύλλου που καλύπτεται με θερμοπροστατική κάλυψη μειώνεται σημαντικά, και η μείωση της θερμοκρασίας στην επιφάνεια εισαγωγής είναι σημαντικά μεγαλύτερη από εκείνη στην επιφάνεια πίεσης. Η μείωση της θερμοκρασίας μειώνεται γradually από το μπροστά άκρο μέχρι την πλάτη, και όσο πιο κοντά είναι στο μπροστά άκρο του φύλλου, τόσο μεγαλύτερη είναι η μείωση της θερμοκρασίας.

Η ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας του μετάλλου της σφαγιάς επηρεάζει το επίπεδο της θερμικής τάσης της σφαγιάς, έτσι αυτή η εργασία χρησιμοποιεί το δείκτη ομοιόμορφης θερμοκρασίας για να μετρηθεί η ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας της αλληλογενή σφαγιάς. Δείκτης ομοιόμορφης θερμοκρασίας:

Όπου: c είναι το όγκος κάθε μονάδας, T- είναι ο μέσος όρος της θερμοκρασίας του όγκου, Tc είναι η τιμή της θερμοκρασίας στην πλέξη μονάδας, και Vc είναι ο όγκος της πλέξης μονάδας. Εάν το πεδίο θερμοκρασίας του όγκου είναι ομοιόμορφα κατανεμημένο, ο δείκτης ομοιόμορφης κατανομής του όγκου είναι 1. Έχει φανεί από τον Κύριο 10 ότι μετά την εξοικονόμηση της θερμικής προστατευτικής καλύψης, η ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας της σφαγιάς βελτιώθηκε σημαντικά. Όταν η απόκριση της κάλυψης είναι 0.2 mm, ο δείκτης ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας της σφαγιάς αυξήθηκε κατά 0.4%.

2.2 Θερμοκρασία επιφάνειας κάλυψης

Η αλλαγή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της καλύψης εμφανίζεται στο Σχήμα 11. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 11, όσο αυξάνει η πάχος της καλύψης, η θερμοκρασία της επιφάνειας της θερμοαποκλειστικής καλύψης συνεχίζει να αυξάνει, που είναι ακριβώς το αντίθετο με την κατεύθυνση της μέσης αλλαγής της θερμοκρασίας της επιφάνειας της σφαίρας. Όσο αυξάνει η θερμική αντίσταση στην κατεύθυνση της πάχειας της καλύψης, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας της καλύψης και της επιφάνειας της σφαίρας αυξάνει γradually, και η συσσωρευμένη θερμότητα στην επιφάνεια είναι πιο δύσκολο να διασκορπιστεί στο μετάλλινο κέλυφος. Όταν η πάχος της καλύψης είναι 0,20 mm, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής πλευράς της καλύψης φτάνει τα 86 °C.

2.3 Θερμοκρασία της διατομής της σφαίρας

Η Φιγούρα 12 δείχνει την κατανομή θερμοκρασίας των πρώτων και τελευταίων άκρων των φολιών με και χωρίς θερμικά φραγματικά επιμάχεια. Μετά τον υποστρωματισμό της επιφάνειας με θερμικά φραγματικά επιμάχεια, η διατομική θερμοκρασία του φολιού μειώνεται σημαντικά και ο θερμικός διαβαθμός αλλεύεται. Αυτό γίνεται επειδή μετά την εφαρμογή του θερμικού φραγματικού επιμάχειου, η πυκνότητα θερμικού ρεύματος στο επιμάχειο μειώνεται. Επιπλέον, καθώς το υλικό του θερμικού φραγματικού επιμάχειου έχει χαμηλή θερμική διαγωγικότητα, οι θερμικές αλλαγές μέσα στο στερεό θερμικού φραγματικού επιμάχειου είναι πολύ αισθητές.

Επικοινωνήστε μαζί μας

Ευχαριστούμε για το ενδιαφέρον σας για την εταιρεία μας! Ως εταιρεία επαγγελματικής παραγωγής μερών αεροσιδηρού, θα συνεχίσουμε να επικεντρωνόμαστε στην καινοτομία της τεχνολογίας και τη βελτίωση των υπηρεσιών, για να προσφέρουμε περισσότερες υψηλής ποιότητας λύσεις σε πελάτες σε όλο τον κόσμο. Εάν έχετε οποιαδήποτε ερώτηση, πρόταση ή πρόθεση συνεργασίας, είμαστε πολύ ηθικοί να σας βοηθήσουμε. Επικοινωνήστε μαζί μας με τους ακόλουθους τρόπους:

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