Tutkimus lämpöestelevärkkipenkkien vaikutusmekanismista tietyntyyppisten kaasuturbiinien turbiinilehten jähmerretyn vaikutuksella

Jotta saavutettaisiin tuloterminaation vaikutus ja lämpötilojakauman laki turbiinilattialla, jossakin tyypin kaasuturbiinissa käytettiin korkean paineen turbiinin liikkuvaa lattiaa sisäisen jäähdytysrakenteen kanssa perusmallina. Korkean paineen turbiinin liikkuvien lattialien jäähdytystulokset ilman tai kanssa tuloterminaatiokorvauksen suojituksella laskettiin numeerisesti kaasulämpöyhteyden menetelmällä, ja tutkittiin tuloterminaatiokorvausten vaikutusta lattian lämpösiirtoon muuttamalla tuloterminaatiokorvausten paksuutta. Tutkimus osoitti, että korvauksen lisäämisen jälkeen lattian lämpötila laski huomattavasti, mitä lähemmäs etukärkeä, sitä suurempi lämpötilan lasku oli, ja painopuolen lämpötilan lasku oli suurempi kuin vetopuolen; 0,05-0,2 mm paksun tuloterminaatiokorvauksen avulla voidaan vähentää lattian metaalipinnan keskilämpötilaa 21-49 ℃; kun korvausten paksuus kasvaa, lattian metallin sisäinen lämpötilajakauma tulee tasaisemmaksi.

Kaasuturbiinien kehittämisessä, jotta voidaan parantaa moottorin tehoa ja termistäisyyttä, turbiinin sisääntulo lämpötila nousee myös. Turbiinin lehdet altistuvat korkeanlämpöisen kaasun vaikutukselle. Kun turbiinin sisääntulolämpötila jatkuu nousemaan, ilmakehitys yksin ei enää kykene täyttämään vaatimuksia. Lämpöesteikkokaukokset, tehokkaana keinona parantaa materiaalien korkealämpökestävyyttä ja korrosiorinnankuntoa, käytetään yhä enemmän.

Lämpöesteiden peittokalvot liimataan yleensä lämpöesteen pintaan plasmapullosta tai elektronisäteen syrjäytymisellä. Nillä on ominaisuuksia, kuten korkea hajottopiste ja vastus lämpöshokkia vastaan, mikä parantaa turbiiniliekon kykyä vastustaa oksidointia ja lämpökorroosia, alentaa liekon lämpötilaa ja pidennää liekon käyttöelämää. Alizadeh et al. tutkivat 0,2 mm lämpöesteiden peittokalvon isolointivaikutusta kaasulämpöyhteydessä numeerisella simulaatiolla. Tulokset näyttivät, että liekon maksimilämpötila laski 19 K ja keskilämpötila 34 K. Prapamonthon et al. tutkivat turbulenttisuuden vaikutusta lämpöesteiden peittokalvojen jäähdytuseffektiin. Tulokset osoittivat, että lämpöesteiden peittokalvot voivat nostaa liekon pinnan kokonaisjäähdytuseffektin 16–20 %:lla ja liekon jälkipuolella 8 %:lla. Zhu Jian et al. perustivat yksiulotteisen tasaisen mallin peitetuille liekoille termodynamiikan näkökulmasta ja teoreettisesti analysoivat ja laskevat lämpöesteiden peittokalvon isolointivaikutusta. Shi Li et al. tekivät numeerisen tutkimuksen C3X:stä lämpöesteiden peittokalvoineen. 0,3 mm keramiikkakerros voi alentaa liekon pintalämpötilaa 72,6 K ja nostaa kokonaisjäähdytuseffektia 6,5 %. Lämpöesteiden peittokalvo ei vaikuta liekon pinnan jäähdytuseffektien jakautumiseen. Zhou Hongru et al. tekivät numeerisen tutkimuksen turbiiniliekojen etupuolelle lämpöesteiden peittokalvoineen. Tulokset näyttivät, että lämpöesteiden peittokalvot voivat alentaa metalliliekojen toimintalämpötilaa ja liekojen sisällä olevaa lämpötilagradianttia sekä vastustaa suorien lämpöpisteiden lämpöshokkeita tietyllä tavalla. Yang Xiaoguang et al. laskevat ohjausviennoille annetun lämpösiirtokoeficientin avulla kahdulotteisen lämpötilakentän ja jännityksen termodynamiikan näkökulmasta. Wang Liping et al. tekivät kolmiulotteisen kaasulämpöyhteyden analyysin turbiiniohjausviennoille monikerroksisten jäähdytysrakenteiden kanssa ja tutkivat peittoepäisyys- ja kaasulämpöyhteyden vaikutusta peiton lämpötilakenttään. Liu Jianhua et al. analysoivat Mark II jäähdytysliekojen useamman kerroksen lämpöesteiden peittokalvojen eristysvaikutusta asettamalla sisältä lämpösiirtokoeficientin ja ulospäin kaasulämpöyhteyden.

1.Laskentamenetelmä

1.1Laskennallinen malli

Kuumapenkkikorkeuskerros sijaitsee korkeanlämpöisen kaasun ja lämpöisölleen perusteen aluksen pinnan välissä, ja se koostuu metallisesta liitoskerroksesta ja lämpöisolointiin tarkoitetusta keramiikkakerroksesta. Sen perusrakenne on kuvattu kuvassa 1. Kun laskentamallia rakennetaan, korkeampaa lämpöjohtavuutta oleva liitoskerros kuumapenkkikerroksessa jätetään huomioimatta, ja säilytetään vain matalampaa lämpöjohtavuutta oleva lämpöisolointiin tarkoitettu keramiikkakerros.

Kuva 2 näyttää läppärin mallin jälkeen, kun se on peitetty lämpöesteikkoksiinillä. Läppäri sisältää monikanavan pyörivän jäähdytysrakenteen, kahden päästöelokuvan jäähdyttämisholeita eturangon kohdalla, keskimmäisen hajonta-alkion jälkirangolla ja H-muotoisen kaarirakenteen läppärin huipulla. Lämpöesteikkoksiini päätetään vain läppärin kehälle ja alempi laidapintaan. Koska lämpötila juuren alapuolella on matala eikä se ole tutkimuksen keskipistettä, laskentamallin asettamiseksi laskentaverkkojen määrää varten juuren alapuolella olevaa osaa ei oteta huomioon, ja rakennetaan laskentadomaan malli, joka näytetään kuvassa 3.

1.2Numerinen laskentamenetelmä

Turbopilven jäähdytyslautan sisäinen geometria on suhteellisen monimutkainen, ja sen käyttäminen rakenneverkoilla on vaikeaa. Epärakenneisten verkkojen käyttö lisää merkittävästi laskenta-annosta. Tässä yhteydessä tämä artikkeli käyttää polyhedrisiä verkkoja laatan ja kaasun alueen verkonmuodostukseen. Verkonjakaminen, verkkomalli näytetään kuvassa 4.

Laskentamallissa lämpöesteiden peiteonnen paksuus on äärimmäisen pieni, alle 1/10 laatan seinän paksuudesta. Siksi tämä artikkeli käyttää ohut verkkojen generaattoria ja jakaa lämpöesteisen peiteonnet kolmeen polyygonaaliseen prisma-verkkoon. Ohut verkkojen kerrosten lukumäärä on todettu olevan riippumaton, ja ohut verkkojen määrällä ei ole melkein mitään vaikutusta laatan lämpötilakenttään.

Virtausalue käyttää Realizable K-Epsilon Two-Layer -mallia Reynolds-keskiarvoisissa Navier-Stokes-yhtälöissä (RANS) turbulenttimallissa. Tämä malli tarjoaa suurempaa joustavuutta koko y+-seinän verkon käsittelyyn. Se pystyy ei vain käsittelemään hyvin tiheitä verkkoja (eli alhaisen Reynolds-luvun tai alhaisen y+-verkon tyyppiä), mutta myös keskikokoisia verkoja (eli 1＜y+＜30) tarkimmalla tavalla, mikä mahdollistaa tehokkaasti vakauden, laskennallisen kustannuksen ja tarkkuuden tasapainon.

1.3Reunaehdot

Kaasuputki on asetettu kokonaissuureksi pysähtymisputkiksi, jäähdytysilmaputki on massa virtausputkiksi ja uloskuja on asetettu statiseksi paineputkiksi. Kaasukanavan peitepinta on asetettu nesteen-kokonaisuuden yhdistelmäpinnaksi, peite ja lämpövarjoisen metallipinta ovat asetettu kiinteänä rajapinnaksi, ja kanavan molemmat sivut ovat asetettu pyöriväksi ajanjaksoiksi. Molemmat kylmäkaasu ja kaasu ovat ideaalisia kaasuja, ja kaasun lämpökapasiteetti sekä termojohdekyky ovat asetettu käyttämällä Sutherlanin kaavaa. Vastaavat laskennalliset reunaehdot ovat: kokonaissuure päävirta-putkien kaasukanavassa on 2,5 MPa, syöttölämpötilajakauma radiaalisen lämpötilajakautumisen kanssa näytetään kuvassa 5, kylmän kaasun virtausnopeus jätteen kylmäkanavassa on 45 g/s, kokonaislämpötila on 540 ℃, ja uloskuja paine on 0,9 MPa. Lämpövarjoisen materiaali on nikkelipohjainen yksikkökristalli korkean-lämpötilaalianssi, ja materiaalin termojohdekyky muuttuu lämpötilan mukaan. Nykyisten materialien osalta lämpöesteiden peitteet käyttävät yleensä vakaita ittriaksidia sisältäviä (YSZ) materiaaleja tai sitruunksidia (ZrO2), joiden termojohdekyky ei muutu merkittävästi lämpötilan mukaan, joten termojohdekyky on asetettu laskennassa arvoon 1,03 W/(m·K).

2 Laskutulosten analyysi

2.1 Lautapinnan lämpötila

Kuvat 6 ja 7 näyttävät vastaavasti epäkaadattun bladeen liittyvän pinta-temperatuurijakauman ja kaadatun bladen metallipinnan temperatuurijakauman eri kaatojen paksuuksien suhteen. Voidaan huomata, että kun kaatojen paksuus kasvaa jatkuvasti, bladen metallipinta-temperatuuri laskee vähitellen, ja bladen metallipinnan temperatuurijakauma on periaatteessa sama eri paksuuksissa; painopinnan keskiosan temperatuuri on matalampi, ja bladen kärjen temperatuuri on korkeampi. Bladen kärki on yleensä vaikein jäähdyttää koko bladessa, koska kärkikarvat ovat vaikeasti suoraan jäähdyttäviä kylmällä ilmalla. Laskelmamallissa kaato peittää vain bladensaarta, eikä bladen kärkiä peitä kaatoa. Kärjessä ei ole esteitä lämpötilalle kaasupuolelta, joten korkea temperatuurialue bladen kärjessä pysyy aina olemassa.

Kuva 8 näyttää käyrän keskimääräisestä lämpötilasta, joka muuttuu ratkaisun paksuuden mukaan kyynelten metallipinnalla. Voidaan huomata, että keskilämpötila laskee, kun kattauspaksuus kasvaa. Tämä johtuu siitä, että lämpöjohtavuus lämpöesteeksi toimivalla kattauksella on alhainen, mikä lisää lämpövastuksen korkealämpöisen kaasun ja metallikyynelten välillä, tehokkaasti vähentämällä kyynelten metallipinnan lämpötilaa. Kun kattauspaksuus on 0,05 mm, kyynelrakenteen keskilämpötila laskee 21 °C:lla, ja sitten, kun lämpöesteeksi toimivan kattauksen paksuus kasvaa, kyynelin pintälämpötila jatkuu laskemista; kun kattauspaksuus on 0,20 mm, kyynelrakenteen keskilämpötila laskenee 49 °C:lla. Tämä on periaatteessa yhteneväinen Zhang Zhiqiangin ja muiden mittauksen kanssa, jotka suorittivat kylmän vaikutusten testin.

Kuva 9 on käyrä, joka näyttää lämpötilan muutoksen leijan poikkileikkauksen pinnalla pitkin aksoistaa. Kuva 9stä voidaan nähdä, että eri paksuuksissa termodynamiikka-esteiden peiteaineiden ympärillä lämpötilan muutosakselin suuntaisesti on periaatteessa sama, ja imurinta-pinnan lämpötila on huomattavasti korkeampi kuin painepinnan lämpötila. Aksoisen pituuden suunnassa painepinnan ja imurinta-pinnan lämpötila alkaa ensin laskea ja sitten kasvaa, ja häntäalueella on jonkinlainen värinen, mikä johtuu rakenteellisesta muodosta puolittaisen hajautettua jäähdyttämistä varten häntäalueen keskiossossa. Samalla leijan lämpötila, jolla on termodynamiikka-estepeite, laskenee merkittävästi, ja imurinta-pinnan lämpötilan laskeminen on merkittävästi suurempi kuin painepinnan. Lämpötilan laskeminen vähenee vähitellen etukantasta häntään asti, ja mitä lähemmäs leijan etukantaa, sitä suurempi on lämpötilan laskeminen.

Liekon metallilämpötilan tasaisuus vaikuttaa liekoon kohdistuvan lämpötilastressin tasoon, joten tässä artikkelissa käytetään lämpötilatasaisuusindeksiä mitatakseen kiinteän liekon lämpötilatasaisuutta. Lämpötilatasaisuusindeksi:

Jossa: c on jokaisen yksikön tilavuus, T- on lämpötilan tilavuuskeskiarvo, Tc on ruudun yksikön lämpötila-arvo ja Vc on ruudun yksikön tilavuus. Jos tilavuuden lämpötilakenttä on tasajakautunut, tilavuuden tasaisuusindeksi on 1. Kuten voidaan nähdä kuvasta 10, teräksen lämpötilatasaisuus paranee huomattavasti ilmakehäesteisen hienovesikorron peittämisen jälkeen. Kun korin paksuus on 0,2 mm, liekon lämpötilatasaisuusindeksi kasvaa 0,4 %:lla.

2.2 Korin pinnalämpötila

Korkeuskattauspinnan lämpötilamuutos esitetään kuvassa 11. Kuten voidaan nähdä kuvasta 11, kun korkeuskattauspaksuus kasvaa, lämpötila järjestelmänesteiden pinnalla jatkuu kasvamaan, mikä on täysin vastakohta keskimääräiselle muutos trendille lätteen pinnalla. Kun termoresistanssi kasvaa korkeuskattauspaksuuden suuntaan, lämpötilaero korkeuskattauspinnan ja lätteen pinnan välillä kasvaa vähitellen, ja pinnalla kertyvä lämpökuorma hankaloittuu levittyä metallilätteeseen. Kun korkeuskattauspaksuus on 0,20 mm, lämpötilaero korkeuskattauksen sisällä ja ulkopuolella saavuttaa 86 °C.

2.3 Lätteen risteysleikkauslämpötila

Kuva 12 näyttää lämpötilajakauman sekavien ja jälkivien reunien välillä ilman ja kanssa termiinesteisiä kattoja. Kun pinta on peitetty termiinesteisillä kattoilla, joutuu lattia lämpötila määrä huomattavasti vähentyä, ja lämpötilan muutos helpotetaan. Tämä johtuu siitä, että kun termiinesteinen kattaus on sovitettu, kattauksen lämpövirta tiheys pienenee. Samalla koska termiinesteisen kattaus materiaali on heikko lämpöjohtavuus, lämpötila muutokset termiinesteisen kattaus kiinteissä ovat erittäin voimakkaita.

Ota meihin yhteyttä

Kiitos mielenkierröstänne yrityksemme suhteen! Tunnustettuna kaasuturbiinikomponenttien valmistajana me pysymme sitoutuneina teknologian kehittämiseen ja palvelujen parantamiseen, tarjoamalla entistä laadukkaampia ratkaisuja asiakkaillemme ympäri maailmaa. Jos sinulla on kysymyksiä, ehdotuksia tai yhteistyöintentioneja, olemme iloisia auttaaksemme sinua. Ota meihin yhteyttä seuraavilla tavoilla:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
Sähköposti: [email protected]