Estudio sobre el mecanismo de influencia del recubrimiento térmico en el efecto de enfriamiento de las palas de turbina de un tipo determinado de turbina de gas

Con el fin de obtener el efecto de aislamiento térmico y la ley de distribución de temperatura del recubrimiento térmico en las palas del turbocompresor, se utilizó un tipo específico de turbina de gas con una pala móvil de turbina de alta presión con estructura de enfriamiento interno como modelo básico. El efecto de enfriamiento de la pala móvil de la turbina de alta presión, con o sin protección de recubrimiento térmico, fue calculado numéricamente mediante el método de acoplamiento gas-térmico, y se estudió la influencia del recubrimiento térmico en la transferencia de calor de la pala al cambiar el grosor del recubrimiento térmico. El estudio encontró que después de aplicar el recubrimiento térmico, la temperatura de la pala disminuyó significativamente, cuanto más cerca del borde de ataque, mayor era la disminución de temperatura, y la disminución de temperatura en el lado de presión fue mayor que en el lado de succión; un recubrimiento térmico con un grosor de 0,05-0,2 mm puede reducir la temperatura promedio de la superficie metálica de la pala en 21-49 ℃; a medida que aumenta el grosor del recubrimiento, la distribución de temperatura dentro del metal de la pala se volverá más uniforme.

En el desarrollo de turbinas de gas, para mejorar la potencia y la eficiencia térmica del motor, también se está incrementando la temperatura de entrada de la turbina. Las palas de la turbina están sometidas al impacto de gases a alta temperatura. Cuando la temperatura de entrada de la turbina sigue aumentando, el enfriamiento por aire solo ya no puede satisfacer los requisitos. Los recubrimientos térmicos de barrera, como medio efectivo para mejorar la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión de los materiales, han sido utilizados cada vez más.

Los recubrimientos térmicos generalmente se adhieren a la superficie de la hoja mediante proyección térmica por plasma o deposición por haz de electrones. Tienen las características de alto punto de fusión y resistencia al choque térmico, lo que puede mejorar la capacidad de las palas del turbina para resistir la oxidación y la corrosión térmica, reducir la temperatura de la pala y extender la vida útil de las palas. Alizadeh et al. estudiaron el efecto aislante térmico de recubrimientos térmicos de 0,2 mm mediante simulación numérica acoplada térmica-gás. Los resultados mostraron que la temperatura máxima de la pala disminuyó en 19 K y la temperatura promedio disminuyó en 34 K. Prapamonthon et al. estudiaron el efecto de la intensidad de la turbulencia en la eficiencia de enfriamiento de las palas con recubrimientos térmicos. Los resultados mostraron que los recubrimientos térmicos pueden aumentar la eficiencia de enfriamiento integral de la superficie de la pala en un 16% a un 20% y en un 8% en el borde de salida de la pala. Zhu Jian et al. establecieron un modelo unidimensional en estado estacionario para palas recubiertas desde una perspectiva termodinámica, y analizaron teóricamente y calcularon el efecto aislante térmico de los recubrimientos térmicos. Shi Li et al. realizaron un estudio numérico sobre C3X con recubrimientos térmicos. Una capa cerámica de 0,3 mm puede reducir la temperatura de la superficie de la pala en 72,6 K y aumentar la eficiencia de enfriamiento integral en un 6,5%. El recubrimiento térmico no tiene efecto en la distribución de la eficiencia de enfriamiento de la superficie de la pala. Zhou Hongru et al. realizaron un estudio numérico sobre el borde de entrada de las palas del turbina con recubrimientos térmicos. Los resultados mostraron que los recubrimientos térmicos no solo pueden reducir la temperatura operativa de las palas metálicas y el gradiente de temperatura dentro de las palas, sino que también pueden resistir el choque térmico de los puntos calientes de entrada en cierta medida. Yang Xiaoguang et al. calcularon la distribución bidimensional del campo de temperatura y el estrés de las guías estáticas con recubrimientos térmicos proporcionando los coeficientes de transferencia de calor de las superficies interna y externa de las palas. Wang Liping et al. realizaron un análisis tridimensional acoplado térmico-gás sobre guías estáticas de turbinas con estructuras de enfriamiento compuestas y estudiaron los efectos del grosor del recubrimiento y la radiación del gas en el campo de temperatura del recubrimiento. Liu Jianhua et al. analizaron el efecto aislante térmico de los recubrimientos térmicos para palas de enfriamiento Mark II con múltiples capas de recubrimientos térmicos configurando internamente el coeficiente de transferencia de calor y el acoplamiento térmico-gás externo.

1.Método de cálculo

1.1Modelo computacional

La capa aislante térmica se encuentra entre el gas a alta temperatura y la superficie del sustrato de aleación de la hoja, y está compuesta por una capa de unión metálica y una capa cerámica aislante térmica. Su estructura básica se muestra en la Figura 1. Al construir el modelo de cálculo, se ignora la capa de unión con mayor conductividad térmica en la estructura de la barrera térmica, y solo se mantiene la capa cerámica aislante con menor conductividad térmica.

La figura 2 muestra el modelo de la hoja después de ser recubierta con un revestimiento térmico de barrera. La hoja contiene una estructura de enfriamiento rotatorio de múltiples canales, con dos orificios de enfriamiento por película en el borde leading, una estructura de ranura central en el borde trailing y una estructura de surco en forma de H en la parte superior de la hoja. El revestimiento térmico de barrera solo se aplica en el cuerpo de la hoja y en la superficie de la placa del borde inferior. Dado que la temperatura debajo de la raíz de la hoja es baja y no es el foco de investigación, para reducir el número de mallas computacionales, se ignora la parte por debajo de la raíz al configurar el modelo computacional, y se construye el modelo de dominio computacional mostrado en la figura 3.

1.2Método de cálculo numérico

La geometría interna de la turbina de enfriamiento de la hoja es relativamente compleja, y es difícil utilizar mallas estructuradas. El uso de mallas no estructuradas aumenta significativamente la cantidad de cálculo. En este sentido, este artículo utiliza un generador de mallas poliédricas para mallas en la hoja y el dominio de gas. La división de mallas se muestra en la Figura 4.

En el modelo de cálculo, el grosor del recubrimiento térmico es extremadamente pequeño, menos de 1/10 del grosor de la pared de la hoja. Por esta razón, este artículo utiliza un generador de mallas finas para dividir el recubrimiento térmico en tres capas de mallas poligonales prismáticas. El número de capas de malla fina ha sido verificado como independiente, y el número de capas de malla fina tiene casi ningún efecto en el campo de temperatura de la hoja.

El dominio del fluido adopta el modelo Realizable K-Epsilon de dos capas en el modelo de turbulencia de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds (RANS). Este modelo proporciona mayor flexibilidad para el procesamiento de malla de toda la pared y+. No solo puede manejar mallas finas (es decir, tipo de número de Reynolds bajo o mallas de bajo y+) bien, sino que también puede manejar mallas intermedias (es decir, 1＜y+＜30) de la manera más precisa, lo cual puede equilibrar eficazmente la estabilidad, el costo computacional y la precisión.

1.3Condiciones de contorno

La entrada de gas se configura como una entrada de presión total de estancamiento, la entrada de aire de enfriamiento es una entrada de flujo de masa y la salida se configura como una salida de presión estática. La superficie del recubrimiento en el canal de gas se establece como una superficie de acoplamiento fluido-sólido, el recubrimiento y la superficie metálica de la hoja se configuran como una interfaz sólida, y los dos lados del canal se configuran como un período de rotación. Tanto el gas frío como el gas son gases ideales, y la capacidad calorífica y la conductividad térmica del gas se establecen utilizando la fórmula de Sutherland. Las condiciones de cálculo correspondientes son: la presión total de la entrada principal del canal de gas es de 2,5 MPa, la distribución de temperatura de entrada con gradiente radial de temperatura se muestra en la Figura 5, la tasa de flujo de entrada de gas frío en el canal frío de la hoja es de 45 g/s, la temperatura total es de 540 ℃ y la presión de salida es de 0,9 MPa. El material de la hoja es una aleación de alta temperatura de cristal único níquel-base, y la conductividad térmica del material varía con la temperatura. Dado que los materiales existentes para recubrimientos térmicos generalmente utilizan materiales de óxido de circonio itrio (YSZ) estables o óxido de circonio (ZrO2), cuya conductividad térmica varía poco con la temperatura, la conductividad térmica se establece en 1,03 W/(m·K) en el cálculo.

2 Análisis de los resultados del cálculo

2.1 Temperatura de la superficie de la hoja

Las figuras 6 y 7 muestran la distribución de temperatura de la superficie de la hoja sin recubrir y la distribución de temperatura de la superficie metálica de la hoja a diferentes espesores de recubrimiento, respectivamente. Se puede observar que a medida que el espesor del recubrimiento sigue aumentando, la temperatura de la superficie metálica de la hoja disminuye gradualmente, y la ley de distribución de temperatura de la superficie metálica de la hoja a diferentes espesores es básicamente la misma: la temperatura en el centro de la superficie de presión es más baja, y la temperatura en la punta de la hoja es más alta. La punta de la hoja suele ser la parte más difícil de enfriar de toda la hoja, y las nervaduras en la punta de la hoja son difíciles de enfriar directamente con aire frío. En el modelo de cálculo, el recubrimiento solo cubre la superficie del cuerpo de la hoja, y la punta de la hoja no está cubierta con recubrimiento. No hay efecto de barrera para el calor procedente del lado de gas de la punta de la hoja, por lo que la zona de alta temperatura en la punta de la hoja siempre existe.

La figura 8 muestra la curva del cambio de la temperatura promedio de la superficie metálica de la hoja con el grosor. Se puede observar que la temperatura promedio de la superficie metálica de la hoja disminuye con el aumento del grosor del recubrimiento. Esto se debe a que la conductividad térmica del recubrimiento de barrera térmica es baja, lo que aumenta la resistencia térmica entre el gas de alta temperatura y la hoja metálica, reduciendo efectivamente la temperatura de la superficie metálica de la hoja. Cuando el grosor del recubrimiento es de 0,05 mm, la temperatura promedio del cuerpo de la hoja disminuye en 21 °C, y luego, a medida que aumenta el grosor del recubrimiento de barrera térmica, la temperatura de la superficie de la hoja sigue disminuyendo; cuando el grosor del recubrimiento es de 0,20 mm, la temperatura promedio del cuerpo de la hoja disminuye en 49 °C. Esto está básicamente en consonancia con el efecto de aislamiento térmico medido por Zhang Zhiqiang et al. a través de la prueba de efecto frío.

La figura 9 es una curva que muestra el cambio de la temperatura de la superficie de la sección de la hoja a lo largo de la longitud del cordón axial. Como se puede ver en la figura 9, bajo diferentes espesores de recubrimientos térmicos de barrera, la tendencia de cambio de temperatura a lo largo de la longitud del cordón axial es básicamente la misma, y la temperatura de la cara de succión es significativamente mayor que la temperatura de la cara de presión. En la dirección de la longitud del cordón axial, la temperatura de la cara de presión y de succión primero disminuye y luego aumenta, y existe una cierta fluctuación en el área del borde trasero, lo cual es causado por la forma estructural del enfriamiento por chorro dividido en el medio del borde trasero. Al mismo tiempo, la temperatura de la hoja recubierta con el revestimiento térmico de barrera disminuye significativamente, y la disminución de temperatura en la cara de succión es significativamente mayor que en la cara de presión. La disminución de temperatura disminuye gradualmente desde el borde leading hasta el trailing edge, y cuanto más cerca esté del borde leading de la hoja, mayor será la disminución de temperatura.

La uniformidad de la temperatura del metal de la hoja afecta el nivel de estrés térmico de la hoja, por lo que este artículo utiliza el índice de uniformidad de temperatura para medir la uniformidad de temperatura de la hoja sólida. Índice de uniformidad de temperatura:

Donde: c es el volumen de cada unidad, T- es el promedio de volumen de la temperatura T, Tc es el valor de temperatura en la unidad de malla, y Vc es el volumen de la unidad de malla. Si el campo de temperatura de volumen está distribuido uniformemente, el índice de uniformidad de volumen es 1. Como se puede ver en la Figura 10, después de aplicar el revestimiento térmico de barrera, la uniformidad de temperatura de la hoja mejora significativamente. Cuando el espesor del recubrimiento es de 0,2 mm, el índice de uniformidad de temperatura de la hoja aumenta en un 0,4%.

2.2 Temperatura de la superficie del recubrimiento

El cambio de temperatura de la superficie del recubrimiento se muestra en la Figura 11. Como se puede ver en la Figura 11, a medida que aumenta el grosor del recubrimiento, la temperatura de la superficie del recubrimiento térmico sigue aumentando, lo cual es exactamente lo opuesto a la tendencia promedio de cambio de temperatura de la superficie de la hoja. A medida que la resistencia térmica aumenta en la dirección del grosor del recubrimiento, la diferencia de temperatura entre la superficie del recubrimiento y la superficie de la hoja va incrementándose gradualmente, y el calor acumulado en la superficie se vuelve más difícil de difundir hacia la hoja metálica. Cuando el grosor del recubrimiento es de 0,20 mm, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior del recubrimiento alcanza los 86 °C.

2.3 Temperatura de la sección transversal de la hoja

La figura 12 muestra la distribución de temperatura de los bordes leading y trailing de las palas con y sin recubrimientos térmicos. Después de que la superficie se recubre con barreras térmicas, la temperatura transversal de la pala se reduce significativamente y el gradiente de temperatura se alivia. Esto se debe a que después de aplicar la barrera térmica, la densidad de flujo de calor en el recubrimiento disminuye. Al mismo tiempo, dado que el material del recubrimiento térmico tiene una baja conductividad térmica, los cambios de temperatura dentro de la masa sólida del recubrimiento térmico son muy drásticos.

Contáctenos

¡Gracias por su interés en nuestra empresa! Como empresa de fabricación de piezas de turbinas de gas profesional, seguiremos comprometidos con la innovación tecnológica y la mejora del servicio, para brindar soluciones de mayor calidad a los clientes de todo el mundo. Si tiene alguna pregunta, sugerencia o intención de cooperación, estaremos encantados de ayudarlo. Comuníquese con nosotros de las siguientes maneras:

WhatsApp: +86 135 4409 5201
Correo electrónico: [email protected]