एक निश्चित प्रकार के गैस टर्बाइन के टर्बाइन ब्लेड्स के शीतलन इफ़्फ़ेक्ट पर थर्मल बारियर कोटिंग के प्रभाव मेकेनिज़्म पर अध्ययन

टर्बाइन ब्लेडों पर हीट बैरियर कोटिंग के तापमान वितरण नियम और ऊष्मीय अपशिष्टता प्रभाव को प्राप्त करने के लिए, आंतरिक शीतलन युक्ति वाली एक निश्चित प्रकार की गैस टर्बाइन उच्च-दबाव टर्बाइन मोविंग ब्लेड को मूल आधार बनाया गया। गैस-ऊष्मा संयोजन विधि द्वारा, उच्च-दबाव टर्बाइन मोविंग ब्लेड के शीतलन की गणना हीट बैरियर कोटिंग के साथ और बिना हीट बैरियर कोटिंग के संरक्षण के साथ गणनात्मक रूप से की गई, और ब्लेड ऊष्मीय अपशिष्टता पर हीट बैरियर कोटिंग के प्रभाव का अध्ययन हीट बैरियर कोटिंग की मोटाई को बदलकर किया गया। अध्ययन ने पाया कि कोटिंग के बाद हीट बैरियर कोटिंग से, ब्लेड का तापमान बहुत ज़्यादा कम हो गया, जिसमें अग्र मोड़ (leading edge) के पास ज़्यादा तापमान कमी हुई, और दबाव पक्ष पर तापमान की कमी श्वसन पक्ष की तुलना में अधिक थी; 0.05-0.2 मिमी मोटाई वाली हीट बैरियर कोटिंग ब्लेड की धातु सतह के औसत तापमान को 21-49 °C तक कम कर सकती है; कोटिंग की मोटाई में वृद्धि होने पर, ब्लेड की धातु के भीतर तापमान वितरण अधिक समान हो जाता है।

गैस टर्बाइन के विकास में, इंजन की शक्ति और थर्मल दक्षता को सुधारने के लिए, टर्बाइन प्रवेश तापमान भी बढ़ता जा रहा है। टर्बाइन के ब्लेडों पर उच्च-तापमान गैस का प्रभाव पड़ता है। जब टर्बाइन प्रवेश तापमान बढ़ता जाता है, तो हवा की ठण्डी अकेले आवश्यकताओं को पूरा करने में सक्षम नहीं रहती। थर्मल बारियर कोटिंग, सामग्रियों की उच्च तापमान प्रतिरोधिता और संक्षारण प्रतिरोधिता में सुधार करने का एक प्रभावी साधन होने के कारण, इसका उपयोग बढ़ते हुए है।

थर्मल बैरियर कोटिंग को आमतौर पर प्लाज़्मा फ़्लेम स्प्रे या इलेक्ट्रॉन बीम डिपॉजिशन द्वारा प्लेट की सतह पर चिपकाया जाता है। इनमें उच्च पिघलन अंक और थर्मल शॉक के प्रति प्रतिरोध की विशेषताएं होती हैं, जो टर्बाइन ब्लेड की ऑक्सीकरण और थर्मल कॉरोशन को प्रतिरोध करने की क्षमता में सुधार करती हैं, ब्लेड के तापमान को कम करती हैं और ब्लेड की सेवा जीवन को बढ़ाती हैं। अलीज़ादे और उनकी टीम ने 0.2 मिमी थर्मल बैरियर कोटिंग के थर्मल इंसुलेशन प्रभाव का अध्ययन गैस-ऊष्मा संयोजन संख्यात्मक सिमुलेशन द्वारा किया। परिणाम दिखाए कि ब्लेड का अधिकतम तापमान 19 K से कम हुआ और औसत तापमान 34 K से कम हुआ। प्रपामोन्टोन और उनकी टीम ने थर्मल बैरियर कोटिंग ब्लेड की ठंडक की दक्षता पर उथली की तीव्रता के प्रभाव का अध्ययन किया। परिणाम दिखाए कि थर्मल बैरियर कोटिंग ब्लेड सतह की समग्र ठंडक दक्षता को 16% से 20% और ब्लेड के पीछे के हिस्से पर 8% बढ़ा सकती है। ज़ू जियान और उनकी टीम ने थर्मोडायनेमिक परिप्रेक्ष्य से कोटिंग ब्लेड के लिए एक एक-आयामी स्थिरावस्था मॉडल का निर्माण किया, और थर्मल बैरियर कोटिंग के थर्मल इंसुलेशन प्रभाव का सैद्धांतिक रूप से विश्लेषण और गणना की। शी ली और उनकी टीम ने थर्मल बैरियर कोटिंग वाले C3X पर संख्यात्मक अध्ययन किया। 0.3 मिमी की केरेमिक परत ब्लेड सतह तापमान को 72.6 K से कम कर सकती है और समग्र ठंडक दक्षता को 6.5% बढ़ा सकती है। थर्मल बैरियर कोटिंग ब्लेड सतह की ठंडक दक्षता के वितरण पर कोई प्रभाव नहीं डालती है। ज़ू होंगरू और उनकी टीम ने थर्मल बैरियर कोटिंग वाले टर्बाइन ब्लेड के अग्र भाग पर संख्यात्मक अध्ययन किया। परिणाम दिखाए कि थर्मल बैरियर कोटिंग न केवल धातु ब्लेड के संचालन तापमान और ब्लेड के भीतर के तापमान ग्रेडिएंट को कम कर सकती है, बल्कि इनलेट गर्म स्पॉट्स के थर्मल शॉक को भी कुछ हद तक प्रतिरोध कर सकती है। यांग शियाओगुआंग और उनकी टीम ने ब्लेड की अंतर्निहित और बाहरी सतहों के ताप प्रवाह गुणांक देने पर थर्मल बैरियर कोटिंग वाले गाइड वेन के द्विआयामी तापमान क्षेत्र वितरण और तनाव की गणना की। वांग लिपिंग और उनकी टीम ने चक्रीय ठंडक संरचनाओं वाले टर्बाइन गाइड वेन पर तीन-आयामी गैस-ऊष्मा संयोजन विश्लेषण किया और कोटिंग मोटाई और गैस विकिरण के प्रभाव का अध्ययन किया। लियू जियानहुआ और उनकी टीम ने मल्टी-लेयर थर्मल बैरियर कोटिंग वाले मार्क II ठंडक ब्लेड के थर्मल इंसुलेशन प्रभाव का विश्लेषण अंतर्निहित ताप प्रवाह गुणांक और बाहरी गैस-ऊष्मा संयोजन द्वारा किया।

1.गणना विधि

1.1गणना मॉडल

थर्मल बारियर कोटिंग उच्च-तापमान गैस और पंखे के धातु अल्लॉय सब्सट्रेट की सतह के बीच स्थित होती है, और इसमें एक धातु बांडिंग लेयर और एक थर्मल इंसुलेशन सिलिका लेयर से बना होता है। इसकी मूल यांत्रिक व्यवस्था आंकड़ा 1 में दिखाई गई है। जब गणना मॉडल बनाया जाता है, तो थर्मल बारियर कोटिंग संरचना में उच्च थर्मल चालकता वाले बांडिंग लेयर को नज़रअंदाज़ कर दिया जाता है, और केवल निम्न थर्मल चालकता वाले थर्मल इंसुलेशन सिलिका लेयर को ही बनाये रखा जाता है।

आकृति 2 में थर्मल बारियर कोटिंग लगाने के बाद प्लेट मॉडल दिखाया गया है। प्लेट में एक multi-channel रोटेशन कुल्हाड़ी संरचना होती है, जिसमें अग्रभाग पर दो फिल्म कूलिंग होल्स होते हैं, पीछे के भाग पर एक मध्य छेद संरचना होती है, और प्लेट के शीर्ष पर H-आकार का ग्रोव संरचना होती है। थर्मल बारियर कोटिंग केवल प्लेट शरीर और निचली धार पर छिड़की जाती है। क्योंकि प्लेट की जड़ के नीचे तापमान कम होता है और यह शोध का केंद्रीय बिंदु नहीं है, इसलिए कंप्यूटेशनल मॉडल सेट करते समय कंप्यूटेशनल ग्रिड की संख्या को कम करने के लिए, जड़ के नीचे का हिस्सा नजरअंदाज कर दिया जाता है, और आकृति 3 में दिखाए गए कंप्यूटेशनल डोमेन मॉडल का निर्माण किया जाता है।

1.2 संख्यात्मक गणना विधि

टर्बाइन कूलिंग ब्लेड की आंतरिक ज्यामिति सापेक्षतः मिश्रित होती है, और संरचित ग्रिड का उपयोग करना मुश्किल है। असंरचित ग्रिड का उपयोग करने से गणना की मात्रा में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है। इस संबंध में, इस पेपर में एक पॉलीहेड्रल ग्रिड जेनरेटर का उपयोग ब्लेड और गैस क्षेत्र को मेश करने के लिए किया गया है। मेश विभाजन, मेश मॉडल चित्र 4 में दिखाया गया है।

गणना मॉडल में, थर्मल बैरियर कोटिंग की मोटाई बहुत कम होती है, ब्लेड दीवार की मोटाई की तुलना में कम से कम 1/10। इस कारण, इस पेपर में एक पतले मेश जेनरेटर का उपयोग करके थर्मल बैरियर कोटिंग को तीन परतों के पॉलीगॉनल प्रिज्म मेश में विभाजित किया गया है। पतले मेश परतों की संख्या का स्वतंत्रता पर जाँच की गई है, और पतले मेश परतों की संख्या ब्लेड तापमान क्षेत्र पर लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ती है।

तरल डोमेन में रीनॉल्ड्स-औसतित Navier-Stokes समीकरणों (RANS) टर्बुलेंस मॉडल में Realizable K-Epsilon Two-Layer मॉडल का उपयोग किया जाता है। यह मॉडल पूरे y+ दीवार के लिए जाल प्रसंस्करण के लिए अधिक लचीलापन प्रदान करता है। यह न केवल सूक्ष्म जाल (अर्थात, कम रीनॉल्ड्स संख्या प्रकार या कम y+ जाल) को अच्छी तरह से संभाल सकता है, बल्कि 1＜y+＜30 के बीच के जाल को भी सबसे सटीक तरीके से संभाल सकता है, जो स्थिरता, गणना लागत और सटीकता के बीच प्रभावी रूप से संतुलन कर सकता है।

1.3 सीमा प्रतिबंध

गैस इनलेट को कुल दबाव स्थायी इनलेट के रूप में सेट किया गया है, ठंडी हवा का इनलेट द्रव्यमान प्रवाह इनलेट है, और आउटलेट को स्थिर दबाव आउटलेट के रूप में सेट किया गया है। गैस चैनल में कोटिंग सतह को तरल-ठोस संयोजन सतह के रूप में सेट किया गया है, कोटिंग और पंखे की धातु की सतह को ठोस इंटरफ़ेस के रूप में सेट किया गया है, और चैनल के दोनों पक्षों को रोटेशन पीरियड के रूप में सेट किया गया है। ठंडी गैस और गैस दोनों आदर्श गैसें हैं, और गैस की ऊष्मीय धारिता और ऊष्मीय चालकता को सदर्थ फ़ॉर्मूला का उपयोग करके सेट किया गया है। संगत गणना सीमा प्रतिबंध हैं: गैस चैनल के मुख्य धारा इनलेट का कुल दबाव 2.5 MPa है, इनलेट तापमान वितरण जीवनी 5 में दिखाए गए अनुप्रस्थ तापमान ढाल के साथ है, पंखे के भीतरी ठंडी चैनल की ठंडी गैस इनलेट प्रवाह दर 45 g/s है, कुल तापमान 540 ℃ है, और आउटलेट दबाव 0.9 MPa है। पंखे की सामग्री एक निकेल-आधारित एकल क्रिस्टल उच्च-तापमान एल्यूम है, और सामग्री की ऊष्मीय चालकता तापमान के साथ बदलती है। मौजूदा सामग्रियों के सापेक्ष, ऊष्मीय बारियर कोटिंग आमतौर पर स्थिर यट्रिया जिरोनिया (YSZ) सामग्रियों या जिरोनिया (ZrO2) का उपयोग करती है, जिनकी ऊष्मीय चालकता तापमान के साथ कम ही बदलती है, इसलिए गणना में ऊष्मीय चालकता को 1.03 W/(m·K) सेट किया गया है।

गणना परिणामों का 2 विश्लेषण

2.1 पतले सतह का तापमान

आकृतियाँ 6 और 7 क्रमशः अप्रत्यास्थ चादर के ब्लेड और विभिन्न परत मोटाई के अनुसार ब्लेड के धातु सतह तापमान वितरण को दिखाती हैं। यह देखा जा सकता है कि जैसे-जैसे परत की मोटाई बढ़ती जाती है, ब्लेड के धातु सतह का तापमान धीरे-धीरे कम होता जाता है, और विभिन्न मोटाइयों पर ब्लेड के धातु सतह का तापमान वितरण नियम लगभग एक ही होता है - दबाव सतह के मध्य में तापमान कम होता है और ब्लेड के छोर पर तापमान अधिक होता है। ब्लेड के छोर को आमतौर पर पूरे ब्लेड का सबसे कठिन भाग माना जाता है जिसे ठंडा करना मुश्किल होता है, और ब्लेड के छोर पर झींग ठंडे हवा द्वारा सीधे ठंडे नहीं हो पाते। गणना मॉडल में, परत केवल ब्लेड शरीर की सतह पर होती है, और ब्लेड के छोर पर कोई परत नहीं होती है। इसलिए, ब्लेड के छोर की गैस पक्ष से गर्मी का बाधा पड़ने वाला प्रभाव नहीं होता, इसलिए ब्लेड के छोर पर गर्मी का क्षेत्र हमेशा मौजूद रहता है।

आकृति 8 में चादर की मोटाई के साथ पलड़ी के धातु सतह के औसत तापमान के वक्र को दर्शाया गया है। यह देखा जा सकता है कि पलड़ी के धातु सतह का औसत तापमान चादर की मोटाई के साथ बढ़ने पर कम होता है। यह इसलिए है क्योंकि थर्मल बैरियर कोटिंग की ऊष्मा चालकता कम होती है, जो उच्च-तापमान गैस और धातु पलड़ी के बीच ऊष्मीय प्रतिरोध को बढ़ाती है, जिससे पलड़ी के धातु सतह का तापमान प्रभावी रूप से कम हो जाता है। जब चादर की मोटाई 0.05 मिमी होती है, पलड़ी के शरीर का औसत तापमान 21 °C से कम हो जाता है, और फिर थर्मल बैरियर कोटिंग की मोटाई में वृद्धि होने पर पलड़ी की सतह का तापमान आगे भी कम होता रहता है; जब चादर की मोटाई 0.20 मिमी होती है, पलड़ी के शरीर का औसत तापमान 49 °C से कम हो जाता है। यह ज़हांग ज़्हीक्वांग और अन्यों द्वारा ठंडे प्रभाव परीक्षण के माध्यम से मापा गया थर्मल बैरियर प्रभाव के साथ बुनियादी रूप से संगत है।

आकृति 9 एक वक्र है जो पंखे के खंड की सतह के तापमान में अक्षीय जीवा लंबाई के साथ परिवर्तन को दर्शाती है। आकृति 9 से स्पष्ट है कि विभिन्न मोटाइयों के ऊष्मीय बारियर कोटिंग के तहत, अक्षीय जीवा लंबाई के साथ तापमान परिवर्तन रुझान लगभग उसी है, और चूसने वाली सतह का तापमान दबाव सतह की तुलना में बढ़कर अधिक है। अक्षीय जीवा लंबाई की दिशा में, दबाव सतह और चूसने वाली सतह का तापमान पहले घटता है फिर बढ़ता है, और पीछे के किनारे क्षेत्र में कुछ उतार-चढ़ाव होता है, जो पीछे के किनारे के मध्य में विभाजित-छेद छिड़काव शीतलन की संरचना रूप से कारण है। एक साथ, ऊष्मीय बारियर कोटिंग से ढकी पंखी का तापमान बदतरीक रूप से गिर जाता है, और चूसने वाली सतह पर तापमान की कमी दबाव सतह पर की तुलना में बढ़कर अधिक है। तापमान की कमी अगे के किनारे से पीछे के किनारे तक धीरे-धीरे घटती है, और पंखे के अगे के किनारे के पास जितना अधिक नजदीक होता है, तापमान की कमी उतनी अधिक होती है।

पतलून के धातु के तापमान की एकसमानता पतलून के ऊष्मीय तनाव स्तर को प्रभावित करती है, इसलिए यह लेख तापमान एकसमानता सूचकांक का उपयोग करके मजबूत पतलून के तापमान की एकसमानता को मापता है। तापमान एकसमानता सूचकांक:

जहाँ: c प्रत्येक इकाई का आयतन है, T- तापमान T का आयतन औसत है, Tc जाल इकाई में तापमान मान है, और Vc जाल इकाई का आयतन है। यदि आयतन तापमान क्षेत्र एकसमान रूप से वितरित है, तो आयतन एकसमानता सूचकांक 1 होता है। चित्र 10 से स्पष्ट है कि गर्मी की बाधक कोटिंग छिड़कने के बाद, पतलून का तापमान एकसमानता में महत्वपूर्ण सुधार हुआ है। जब कोटिंग की मोटाई 0.2 मिमी है, पतलून के तापमान एकसमानता सूचकांक में 0.4% वृद्धि हुई है।

2.2 कोटिंग सतह तापमान

कोटिंग सतह के तापमान परिवर्तन को आंकड़ा 11 में दर्शाया गया है। आंकड़ा 11 से स्पष्ट है कि कोटिंग मोटाई में वृद्धि होने पर, थर्मल बैरियर कोटिंग की सतह का तापमान बढ़ता जाता है, जो चादर सतह के औसत तापमान परिवर्तन की प्रवृत्ति के ठीक विपरीत है। जब कोटिंग मोटाई की ओर थर्मल प्रतिरोध बढ़ता है, कोटिंग सतह और चादर सतह के बीच तापमान अंतर धीरे-धीरे बढ़ता है, और सतह पर संचित ऊष्मा को धातु चादर में फैलाना अधिक कठिन हो जाता है। जब कोटिंग मोटाई 0.20 मिमी होती है, कोटिंग के अंदर और बाहर का तापमान अंतर 86 °C तक पहुंच जाता है।

2.3 चादर काट का तापमान

आकृति 12 में ब्लेड के सामने और पीछे के हिस्सों का तापमान वितरण दिखाया गया है, जिसमें थर्मल बैरियर कोटिंग के साथ और बिना कोटिंग के दिखाया गया है। सतह को थर्मल बैरियर कोटिंग से कवर करने के बाद, ब्लेड का क्रॉस-सेक्शनल तापमान बहुत कम हो जाता है और तापमान ग्रेडिएंट कम हो जाता है। यह इसलिए है क्योंकि थर्मल बैरियर कोटिंग लगाने के बाद, कोटिंग में ऊष्मा प्रवाह घनत्व में कमी आती है। एक साथ, चूंकि थर्मल बैरियर कोटिंग सामग्री की ऊष्मा चालकता कम होती है, इसलिए थर्मल बैरियर कोटिंग ठोस के अंदर तापमान में तीव्र परिवर्तन होते हैं।

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