Étude sur le mécanisme d'influence du revêtement thermique sur l'effet de refroidissement des pales de turbine d'un certain type de turbine à gaz

Afin d'obtenir l'effet d'isolation thermique et la loi de distribution de température du revêtement thermique sur les pales de turbine, un certain type de pale mobile de turbine haute pression de turbomachine avec structure de refroidissement interne a été utilisé comme modèle de base. L'effet de refroidissement de la pale mobile de turbine haute pression avec ou sans protection par revêtement thermique a été calculé numériquement par la méthode de couplage gaz-chaleur, et l'influence du revêtement thermique sur le transfert de chaleur de la pale a été étudiée en modifiant l'épaisseur du revêtement thermique. L'étude a révélé que après avoir appliqué le revêtement thermique, la température de la pale a diminué significativement, plus on se rapproche de l'avant-pale, plus la baisse de température est importante, et la baisse de température du côté pression est supérieure à celle du côté aspiration ; un revêtement thermique d'une épaisseur de 0,05 à 0,2 mm peut réduire la température moyenne de la surface métallique de la pale de 21 à 49 °C ; lorsque l'épaisseur du revêtement augmente, la distribution de température à l'intérieur du métal de la pale devient plus uniforme.

Dans le développement des turbines à gaz, pour améliorer la puissance et l'efficacité thermique du moteur, la température d'admission de la turbine augmente également. Les pales de la turbine sont soumises à l'impact des gaz à haute température. Lorsque la température d'admission de la turbine continue d'augmenter, le refroidissement par air seul ne peut plus satisfaire les exigences. Les revêtements thermiques barrière, en tant que moyen efficace pour améliorer la résistance à haute température et la résistance à la corrosion des matériaux, sont de plus en plus utilisés.

Les revêtements thermiques sont généralement appliqués sur la surface des pales par projection plasma ou dépôt par faisceau d'électrons. Ils présentent les caractéristiques d'un point de fusion élevé et d'une résistance aux chocs thermiques, ce qui peut améliorer la capacité des pales de turbine à résister à l'oxydation et à la corrosion thermique, réduire la température des pales et prolonger leur durée de vie. Alizadeh et al. ont étudié l'effet isolant de revêtements thermiques de 0,2 mm par simulation numérique couplée thermo-gaz. Les résultats ont montré que la température maximale de la pale a été réduite de 19 K et la température moyenne de 34 K. Prapamonthon et al. ont étudié l'effet de l'intensité de la turbulence sur l'efficacité de refroidissement des pales avec revêtement thermique. Les résultats ont montré que les revêtements thermiques peuvent augmenter l'efficacité globale de refroidissement de la surface de la pale de 16 % à 20 % et de 8 % à l'extrémité arrière de la pale. Zhu Jian et al. ont établi un modèle uni-dimensionnel stationnaire pour les pales revêtues sous l'angle thermodynamique, et ont analysé et calculé théoriquement l'effet isolant des revêtements thermiques. Shi Li et al. ont mené une étude numérique sur C3X avec revêtements thermiques. Une couche céramique de 0,3 mm peut réduire la température de surface de la pale de 72,6 K et augmenter l'efficacité globale de refroidissement de 6,5 %. Le revêtement thermique n'a aucun effet sur la distribution de l'efficacité de refroidissement de la surface de la pale. Zhou Hongru et al. ont mené une étude numérique sur l'extrémité avant des pales de turbine avec revêtements thermiques. Les résultats ont montré que les revêtements thermiques peuvent non seulement réduire la température de fonctionnement des pales métalliques et le gradient de température à l'intérieur des pales, mais aussi résister dans une certaine mesure aux chocs thermiques des points chauds d'entrée. Yang Xiaoguang et al. ont calculé la distribution du champ de température bidimensionnel et les contraintes des guide-vanes avec revêtements thermiques en donnant les coefficients de transfert de chaleur des surfaces intérieure et extérieure des pales. Wang Liping et al. ont effectué une analyse tridimensionnelle couplée gaz-thermique sur les guide-vanes de turbine avec structures de refroidissement composites et ont étudié les effets de l'épaisseur du revêtement et de la radiation gazeuse sur le champ de température du revêtement. Liu Jianhua et al. ont analysé l'effet isolant des revêtements thermiques pour les pales de refroidissement Mark II avec revêtements thermiques multicouches en définissant internement le coefficient de transfert de chaleur et en couplant externement le gaz-thermique.

Méthode de calcul

Modèle de calcul 1.1

Le revêtement thermique est situé entre le gaz à haute température et la surface du substrat en alliage de la lame, et est constitué d'une couche métallique d'union et d'une couche céramique isolante thermique. Sa structure de base est illustrée à la figure 1. Lors de la construction du modèle de calcul, la couche d'union présentant une conductivité thermique élevée dans la structure du revêtement thermique est ignorée, et seule la couche céramique isolante thermique, ayant une faible conductivité thermique, est conservée.

La figure 2 montre le modèle de la lame après avoir été recouverte d'un revêtement barrière thermique. La lame contient une structure de refroidissement rotatif multi-canaux, avec deux orifices de refroidissement par film sur l'avant-bord, une structure en fente au milieu de l'arête arrière, et une structure en forme de groove en H sur le sommet de la lame. Le revêtement barrière thermique est appliqué uniquement sur le corps de la lame et la surface de la plaque du bord inférieur. Étant donné que la température sous la racine de la lame est basse et n'est pas le sujet principal de la recherche, afin de réduire le nombre de maillages de calcul, la partie sous la racine est ignorée lors de la définition du modèle de calcul, et le modèle de domaine de calcul présenté à la figure 3 est construit.

1.2Méthode de calcul numérique

La géométrie interne de la turbine de refroidissement de la pale est relativement complexe, et il est difficile d'utiliser des maillages structurés. L'utilisation de maillages non structurés augmente considérablement le volume de calcul. À cet égard, cet article utilise un générateur de maillage polyédrique pour discrétiser la pale et le domaine de gaz. La division du maillage est illustrée par le modèle de maillage présenté à la figure 4.

Dans le modèle de calcul, l'épaisseur du revêtement thermique est extrêmement faible, inférieure à 1/10 de l'épaisseur du mur de la pale. Pour cette raison, cet article utilise un générateur de maillage fin pour diviser le revêtement thermique en trois couches de maillages prismatiques polygonaux. Le nombre de couches de maillage fin a été vérifié comme étant indépendant, et le nombre de couches de maillage fin n'a pratiquement aucun effet sur le champ de température de la pale.

Le domaine fluide adopte le modèle Réalisable K-Epsilon à Deux Couches dans le modèle de turbulence des équations de Navier-Stokes moyennées en Reynolds (RANS). Ce modèle offre une plus grande flexibilité pour le traitement de maillage de l'ensemble du mur y+. Il peut non seulement gérer des maillages fins (c'est-à-dire, de type faible nombre de Reynolds ou maillages avec faible y+) efficacement, mais aussi traiter les maillages intermédiaires (c'est-à-dire, 1＜y+＜30) de manière la plus précise, ce qui permet d'équilibrer efficacement stabilité, coût de calcul et précision.

1.3Conditions aux limites

L'entrée de gaz est définie comme une entrée de pression totale stagnante, l'entrée d'air de refroidissement est une entrée de débit de masse, et la sortie est définie comme une sortie de pression statique. La surface du revêtement dans le canal à gaz est définie comme une surface de couplage fluide-solide, le revêtement et la surface métallique de la pale sont définis comme une interface solide, et les deux côtés du canal sont définis comme une période de rotation. Les gaz froids et chauds sont tous deux des gaz idéaux, et la capacité thermique et la conductivité thermique du gaz sont définies en utilisant la formule de Sutherland. Les conditions limites de calcul correspondantes sont : la pression totale à l'entrée principale du canal à gaz est de 2,5 MPa, la distribution de température à l'entrée avec un gradient radial de température est illustrée à la figure 5, le débit d'entrée de gaz froid dans le canal froid de la pale est de 45 g/s, la température totale est de 540 °C, et la pression de sortie est de 0,9 MPa. Le matériau de la pale est une alliage monocristallin à base de nickel, dont la conductivité thermique varie avec la température. En ce qui concerne les matériaux existants, les revêtements thermiques utilisent généralement des matériaux en oxyde de zirconium yttrié (YSZ) stables ou en oxyde de zirconium (ZrO2), dont la conductivité thermique varie peu avec la température, donc la conductivité thermique est fixée à 1,03 W/(m·K) dans le calcul.

2 Analyse des résultats de calcul

2.1 Température de la surface de la pale

Les figures 6 et 7 montrent respectivement la distribution de la température de surface de la lame non revêtue et la distribution de la température de surface métallique de la lame à différentes épaisseurs de revêtement. On peut observer que lorsque l'épaisseur du revêtement continue d'augmenter, la température de surface métallique de la lame diminue progressivement, et la loi de distribution de la température de surface métallique de la lame est fondamentalement la même à différentes épaisseurs : la température au milieu de la face de pression est plus basse, tandis que la température à l'extrémité de la lame est plus élevée. L'extrémité de la lame est généralement la partie la plus difficile à refroidir dans toute la lame, et les nervures à l'extrémité de la lame sont difficiles à refroidir directement avec de l'air froid. Dans le modèle de calcul, le revêtement ne couvre que la surface du corps de la lame, et l'extrémité de la lame n'est pas recouverte de revêtement. Il n'y a donc aucun effet barrière sur la chaleur provenant du côté gaz de l'extrémité de la lame, ce qui fait en sorte que la zone à haute température à l'extrémité de la lame existe toujours.

La figure 8 montre la courbe de la température moyenne de la surface métallique de la lame en fonction de l'épaisseur. On peut voir que la température moyenne de la surface métallique de la lame diminue avec l'augmentation de l'épaisseur du revêtement. Cela est dû au fait que la conductivité thermique du revêtement barrière thermique est faible, ce qui augmente la résistance thermique entre le gaz à haute température et la lame métallique, réduisant ainsi efficacement la température de la surface métallique de la lame. Lorsque l'épaisseur du revêtement est de 0,05 mm, la température moyenne du corps de la lame diminue de 21 °C, puis, lorsque l'épaisseur du revêtement barrière thermique augmente, la température de la surface de la lame continue de diminuer ; lorsque l'épaisseur du revêtement est de 0,20 mm, la température moyenne du corps de la lame diminue de 49 °C. Cela est fondamentalement cohérent avec l'effet d'isolation thermique mesuré par Zhang Zhiqiang et ses collègues lors du test d'effet froid.

La figure 9 est une courbe montrant la variation de la température de surface de la section de la lame le long de la longueur de corde axiale. Comme on peut le voir sur la figure 9, sous différentes épaisseurs de revêtements thermiques d'isolation, la tendance de variation de la température le long de la longueur de corde axiale est fondamentalement la même, et la température de la face aspirante est significativement plus élevée que celle de la face pressante. Dans la direction de la longueur de corde axiale, la température de la face pressante et de la face aspirante diminue d'abord puis augmente, avec une certaine fluctuation dans la zone de l'arête postérieure, causée par la forme structurelle du refroidissement par pulvérisation à fente divisée au milieu de l'arête postérieure. En même temps, la température de la lame recouverte du revêtement thermique d'isolation diminue considérablement, et la baisse de température sur la face aspirante est significativement plus grande que celle sur la face pressante. La diminution de température diminue progressivement de l'arête antérieure vers l'arête postérieure, et plus on se rapproche de l'arête antérieure de la lame, plus la baisse de température est importante.

L'uniformité de la température du métal de la lame affecte le niveau de contrainte thermique de la lame, donc cet article utilise l'indice d'uniformité de température pour mesurer l'uniformité de température de la lame solide. Indice d'uniformité de température :

Où : c est le volume de chaque unité, T- est la moyenne volumique de la température T, Tc est la valeur de température dans l'unité de grille, et Vc est le volume de l'unité de grille. Si le champ de température volumique est réparti uniformément, l'indice d'uniformité volumique est 1. Comme on peut le voir à la figure 10, après avoir pulvérisé le revêtement barrière thermique, l'uniformité de température de la lame s'améliore considérablement. Lorsque l'épaisseur du revêtement est de 0,2 mm, l'indice d'uniformité de température de la lame augmente de 0,4 %.

2.2 Température de surface du revêtement

Le changement de température de la surface du revêtement est illustré à la figure 11. Comme on peut le voir à la figure 11, lorsque l'épaisseur du revêtement augmente, la température de surface du revêtement thermique continue d'augmenter, ce qui est exactement l'inverse de la tendance moyenne du changement de température de la surface de la lame. À mesure que la résistance thermique augmente dans la direction de l'épaisseur du revêtement, la différence de température entre la surface du revêtement et la surface de la lame augmente progressivement, et la chaleur accumulée à la surface devient plus difficile à diffuser vers la lame métallique. Lorsque l'épaisseur du revêtement est de 0,20 mm, la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur du revêtement atteint 86 °C.

2.3 Température de la section transversale de la lame

La figure 12 montre la distribution de température des bords d'attaque et de fuite des lames avec et sans revêtements thermiques. Après que la surface est recouverte de revêtements thermiques, la température en coupe transversale de la lame est significativement réduite, et le gradient de température est atténué. Cela est dû au fait que lorsque le revêtement thermique est appliqué, la densité de flux thermique dans le revêtement est réduite. En même temps, comme le matériau du revêtement thermique a une faible conductivité thermique, les variations de température à l'intérieur du solide revêtu de barrière thermique sont très importantes.

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