Istraživanje utjecaja mehanizma toplinske barijerske obloge na hlađenje turbinskih lopatica određenog tipa plinove turbine

Kako bi se dobilo utjecaj termičkog izolacijskog efekta i zakona o distribuciji temperature na termičkoj pregradnoj ograđi na turbinim listovima, korišten je određeni tip plinske turbine visokoprinske turbine pomičnog lista s unutrašnjom hlađenjskom strukturom kao osnovni model. Hlađenjski učinak visokoprinske turbine pomičnog lista s ili bez zaštite termičkom pregradnom ogradom računalno je izračunat metodom gaso-toplinske kopljevine, a utjecaj termičke pregradne ograde na prijenos topline na listu istražen promjenom debljine termičke pregradne ograde. Istraživanje je pronašlo da se nakon obložavanja termičkom pregradnom ogradom temperatura lista znatno smanjila, što je bliže prednjem rubu, veći je pad temperature, a pad temperature na pritisnu stranu bio je veći nego na suću stranu; termička pregradna ograda debljine 0,05-0,2 mm može smanjiti prosječnu temperaturu metalne površine lista za 21-49 ℃; s povećanjem debljine ograde, distribucija temperature unutar metalnog dijela lista postaje jednolijevija.

U razvoju plinskih turbine, kako bi se poboljšala snaga i topline efikasnost motora, također raste ulazna temperatura turbine. Lopatica turbine podložna je utjecaju visokotemperaturne plinove. Kada ulazna temperatura turbine nastavi rasti, samim zrakom hlađenje više ne može ispunjiti zahtjeve. Termička barijerska obloga, kao učinkovito sredstvo za poboljšanje otpornosti materijala na visoke temperature i koroziju, sve više se primjenjuje.

Termičke barijanske obloge općenito se prilepaju na površinu lopatica plazmom ili elektronskim zrakom. One imaju karakteristike visoke točke tijekanja i otpornosti na termički šok, što može poboljšati sposobnost turbine da otpere oksidaciju i termičku koroziju, smanjiti temperaturu lopatica i produžiti njihov radni vijek. Alizadeh i suradnici su proučili termički izolacijski učinak 0,2 mm termičke barijanske oblike pomoću numeričkog modeliranja s gasno-topličnom koplacijom. Rezultati su pokazali da je maksimalna temperatura lopatica smanjena za 19 K, a prosječna temperatura za 34 K. Prapamonthon i suradnici su proučili utjecaj intenziteta turbulentnosti na hlađenički učinak lopatica s termičkom barijanskom oblogom. Rezultati su pokazali da termičke barijanske oblike mogu povećati ukupnu efikasnost hlađenja površine lopatica za 16% do 20%, a na rubu lopatica za 8%. Zhu Jian i suradnici su izgradili jednodimenzionalni stacionarni model za lopatice s oblagom iz termodinamičkog aspekta, te su teorijski analizirali i izračunali termički izolacijski učinak termičkih barijanskih oblika. Shi Li i suradnici su proveduli numeričko istraživanje C3X-a s termičkom barijanskom oblogom. 0,3 mm keramički sloj može smanjiti temperaturu površine lopatica za 72,6 K i povećati ukupnu efikasnost hlađenja za 6,5%. Termička barijanska obloga nema utjecaja na distribuciju efikasnosti hlađenja površine lopatica. Zhou Hongru i suradnici su proveduli numeričko istraživanje o čelju turbine s termičkom barijanskom oblogom. Rezultati su pokazali da termičke barijanske oblike ne samo da smanjuju radnu temperaturu metalnih lopatica i temperaturni gradijent unutar lopatica, već i otporeći termičkom šoku ulaznih toplih točaka u određenoj mjeri. Yang Xiaoguang i suradnici su izračunali dvodimenzionalnu distribuciju temperature i napona vodiča s termičkom barijanskom oblogom dajući koeficijente prijenosa topline unutarnje i vanjske površine lopatica. Wang Liping i suradnici su proveduli trodimenzionalnu gasno-topličku koplaciju na vodičima turbine s složenim hlađenim strukturama i proučili utjecaje debljine oblike i radijacije plina na polje temperature oblike. Liu Jianhua i suradnici su analizirali termički izolacijski učinak termičkih barijanskih oblika za lopatice hlađenja Mark II s višeslojnim termičkim barijanskim oblikama postavljajući unutrašnji koeficijent prijenosa topline i vanjsku gasno-topličku koplaciju.

1.Metoda računanja

1.1Računski model

Termički barijanski oblog nalazi se između visoko temperaturne plinove i površine aluminijevog spoja lopaticnog podložnika, a sastoji se od metalkog spojivog sloja i termičkog izolacijskog keramičkog sloja. Njegova osnovna struktura prikazana je na slici 1. Pri izgradnji računskog modela zanemaruje se spojivi sloj s višom toplotnom provodljivošću u strukturi termičkog barijanskog obloga, a zadržava se samo termički izolacijski keramički sloj s nižom toplotnom provodljivošću.

Slika 2 prikazuje model lopatica nakon što je oblagan termičkim barijernim oblogom. Lopatilo sadrži višekanalnu rotacijsku hlađenja strukturu, s dvije ispuštne filmovite hlađenje rupe na vodećem rubu, srednjom šupljinastom strukturom na zavijaju, i H-obličnom šupljavinama na vrhu lopatica. Termički barijerni oblog se sprema samo na tijelo lopatica i površinu donjeg bridnog ploča. Budući da je temperatura ispod korijena lopatica niska i nije fokus istraživanja, kako bi se smanjio broj računskih mreža, dio ispod korijena zanemaren je prilikom postavljanja računskog modela, a konstruiran je računski domeni model prikazan na slici 3.

1.2Numerička metoda računanja

Unutarnja geometrija hlađenja turbinog lopatica je relativno složena, te je teško koristiti strukturirane mreže. Korištenje nestrukturiranih mreža značajno povećava količinu računanja. U ovom smislu, ovaj članak koristi polihedarski generатор mreže za prigušavanje lopatica i plinovitog domena. Podjela mreže, model mreže prikazan je na slici 4.

U računskom modelu, debljina toplinske prepreke je ekstremno mala, manja od 1/10 debljine zida lopatica. Zbog toga, ovaj članak koristi generatore tankih mreža da podijeli toplinsku prepreku u tri sloja poligonalnih prizmatičnih mreža. Broj tankih slojeva mreže potvrđen je kao nezavisan, a broj tankih slojeva mreže skoro nema utjecaja na temperaturno polje lopatica.

Područje fluida koristi Realizabilni K-Epsilon Dvije-Slojevi model u jednadžbama Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS) za model turbulencije. Ovaj model pruža veću fleksibilnost pri obradi mreže cijelog y+ zida. Može ne samo dobro rukovati s finim mrežama (tj., tip nižeg broja Reynolds-a ili mrežom s niskim y+), već i s međuslojevima (tj., 1＜y+＜30) na najtočniji način, što može učinkovito uravnotežiti stabilnost, troškove računanja i točnost.

1.3Granice okolisa

Ulazni otvor za plin je postavljen kao ulaz s ukupnim tlakom stagnacije, ulazni otvor za hladno zrak je postavljen kao ulaz s masenim protokom, a izlaz je postavljen kao statički tlakovni izlaz. Površina obloga u plinskom kanalu postavljena je kao površina fluid-solid kopljanja, oblog i metalna površina lopatica postavljena su kao čvrst interfejs, a dvije strane kanala su postavljene kao rotacijska perioda. Oba hladni plin i plin su idealni plinovi, a toplinska kapaciteta plina i termička provodnost su postavljene pomoću Sutherlandove formule. Odgovarajuće računske granične uvjete su: ukupni tlak glavnog ulaza u plinski kanal iznosi 2,5 MPa, distribucija ulazne temperature s radijalnim gradijentom temperature prikazana je na slici 5, brzina protoka hladnog plina na ulazu u hladni kanal lopate iznosi 45 g/s, ukupna temperatura iznosi 540 ℃, a izlazni tlak iznosi 0,9 MPa. Materijal lopate je nikl-baziran jednocraki visoko temperaturni spoj, a termička provodnost materijala mijenja se s temperaturom. U smislu postojećih materijala, topline barijerski oblozi općenito koriste stabilne materijale oksid zirconijuma sa yttrijem (YSZ) ili zirconijum okside (ZrO2), čija je termička provodnost malo ovisna o temperaturi, stoga je termička provodnost postavljena na 1,03 W/(m·K) u računu.

2 Analiza rezultata računanja

2.1 Temperatura površine lopatica

Slike 6 i 7 prikazuju raspodjelu temperatur na površini neoblaganog lopatica te raspodjelu temperatur na metalu lopatica s različitim debljinama oblage. Može se primijetiti da se, s kontinuiranim povećanjem debljine oblage, temperatura površine metala lopatica postupno smanjuje, a zakonitost raspodjele temperature na metalu lopatica s različitim debljinama u suštini ostaje ista: temperatura je niža u sredini pritisne strane, dok je viša na vrhu lopatica. Vrh lopatica obično je najteže hladiti dio cijelog lopatica, a grebeni na vrhu lopatica su teško direktno hladiti hladnim zrakom. U računskom modelu, obla zahtiva samo površinu tijela lopatica, a vrh lopatica nije oblagen. Stoga ne postoji barijerski efekat protiv topline sa gasovne strane vrha lopatica, pa se visokotemperaturna zona na vrhu lopatica uvijek održava.

Slika 8 prikazuje krivulju promjene prosječne temperature površine metalnog lopaća s debljinom. Može se primijetiti da se prosječna temperatura površine metalnog lopaća smanjuje s povećanjem debljine obloženja. To je zato što je teploprovodnost toplinske barijerske obloženja niska, što povećava toplinski otpor između visokotemperaturne plinove i metalnog lopaća, učinkovito smanjujući temperaturu površine metalnog lopaća. Kada je debljina obloženja 0,05 mm, prosječna temperatura tijela lopaća pada za 21 °C, a zatim se s povećanjem debljine toplinske barijerske obloženja dalje smanjuje temperatura površine lopaća; kada je debljina obloženja 0,20 mm, prosječna temperatura tijela lopaća pada za 49 °C. To je uglavnom uzajedno sa toplinskom izolacijskom učinkom koji je meren od strane Zhang Zhiqianga i suradnika putem hladnog efekta testiranja.

Slika 9 je kriva koja prikazuje promjenu temperaturi na površini presjeka lopatica duž duljine aksijske tetive. Iz slike 9 može se primijetiti da je trend promjene temperature duž duljine aksijske tetive gotovo isti za različite debljine toplinsko izolacijskih obloga, dok je temperatura sugaće strane značajno viša od temperature pritisne strane. U smjeru duljine aksijske tetive, temperatura pritisne i sugaće strane najprije opada, a zatim raste, uz određenu fluktuaciju u području zadnjeg ruba, što je uzrokovano strukturnom oblikom rasipnog hlađenja polumostromaca u sredini zadnjeg ruba. Isto vrijeme, temperatura lopatica s toplinskom izolacijskom omotinom znatno pada, a pad temperature na sugaćej strani značajno je veći od pada na pritisnoj strani. Pad temperature postupno smanjuje od prednjega prema zadnjem rubu, a čim bliže je prednjem rubu lopatica, veći je taj pad temperature.

Jednolikost temperature kovine lopatica utječe na razinu termičkog stresa lopatica, pa ovaj članak koristi indeks jednolikosti temperature za mjerenje jednolikosti temperature čvrste lopatice. Indeks jednolikosti temperature:

Gdje: c je volumen svakog jedinice, T- je volumenska prosjek temperatura T, Tc je vrijednost temperature u mrežnoj jedinici, a Vc je volumen mrežne jedinice. Ako se volumensko polje temperature ravnomjerno raspoređuje, volumenski indeks jednolikosti iznosi 1. Kao što se vidi sličica 10, nakon spremanja toplega barijera obloga, jednolikost temperature lopatica značajno se poboljšava. Kada je debljina obloga 0.2 mm, indeks jednolikosti temperature lopatica povećan je za 0.4%.

2.2 Temperatura površine obloga

Promjena temperature na površini obloženja prikazana je na slici 11. Iz slike 11 može se primijetiti da, s rastućom debljinom obloženja, temperatura na površini toplinske prepreke neprestano raste, što je upravo suprotno prosječnom trendu promjene temperature na površini lopatica. S povećanjem toplinske otpornosti u smjeru debljine obloženja, razlika temperature između površine obloženja i površine lopatica postaje sve veća, a gomila topline na površini teže se širiti prema metalu lopatica. Kada je debljina obloženja 0,20 mm, razlika temperature između unutarnjeg i vanjskog dijela obloženja dostiže 86 °C.

2.3 Temperatura presjeka lopatica

Slika 12 prikazuje distribuciju temperature uzvodne i nadvodne ivice lopatica s i bez toplačkih barijernih obloga. Nakon što se površina obloži toplačkim barijernim oblogama, temperaturna sekcija lopatica značajno se smanjuje, a temperaturni gradijent se olakšava. To je zato što nakon primjene toplačke barijerne oblike gustoća topline u oblici se smanjuje. Isto tako, kako materijal toplačke barijerne oblike ima nizak tepelovodnost, promjene temperature unutar čvrstog dijela toplačke barijerne oblike su vrlo drastične.

Kontaktirajte nas

Hvala vam na interesu za našu tvrtku! Kao profesionalna tvrtka za proizvodnju dijelova plinovite turbine, nastavit ćemo se baviti inovacijama u tehnologiji i poboljšanjima usluga kako bismo pružili još više visokokvalitetnih rješenja našim klijentima širom svijeta. Ako imate bilo kakva pitanja, predloge ili namjeru suradnje, svesno ćemo vam pomoci. Molimo vas da nas kontaktirate na sljedeći način:

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