Tanulmány a hőálló fedés hatásmechanizmusáról a hűtési hatékonyságban egy bizonyos típusú gázgerendelek turbinakengyereiben

A turbinblakkokon lévő hőálló fedés hőbiztosító hatásának és a hőeloszlás törvényességének meghatározása érdekében egy belső hűtéses szerkezetű gázturbina magas nyomású turbinmozgóblakkot használtunk alapmodellként. A magas nyomású turbinmozgóblakk hűtési hatását, hőálló fedéssel vagy annél nélkül, numerikusan számítottuk ki a gáz-hő kapcsolódási módszerrel, és tanulmányoztuk a hőálló fedés hatását a blakk hőátadására a hőálló fedés vastagságának változtatásával. A tanulmány arra a következtetésre jutott, hogy a hőálló fedés alkalmazása után a blakk hőmérséklete jelentősen csökkent, és minél inkább a vezetékélhez van, annál nagyobb a hőmérséklet csökkenése, továbbá a nyomásoldalon nagyobb a hőmérséklet csökkenése, mint az alsó oldalon; a 0,05-0,2 mm vastagságú hőálló fedés képes a blakk fém felületének átlagos hőmérsékletét 21-49 ℃-kal csökkenteni; a fedés vastagságának növekedésével a blakk fém belsejében található hőeloszlás egyenletesebb lesz.

A gázgerendek fejlesztésében, hogy növeljük a motor teljesítményét és hőhatékonyságát, a turbinabeveteli hőmérséklet is emelkedik. A turbinarétegek magas-hőmérsékletű gázsajátok hatására vannak kitetve. Amikor a turbinabeveteli hőmérséklet tovább nő, az léghűtés egyedül már nem tudja kielégíteni a követelményeket. A hőálló fedélzetekek, mint hatékony eszköz anyagok magasabb hőellenálló és korroziónyomatékos tulajdonságainak javítására, egyre több alkalmazásuk van.

A hőszigetelő fedékek általában plazmaflammereszkelési vagy elektron Sugárzásos letarthatók a lap felületére. Nagyoltópontú és hőcsapás ellenálló tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek javíthatják a turbinalapok oxidáció- és hőkoróziós ellenállását, csökkentik a lap hőmérsékletét, és növelik a lapok hasznos élettartamát. Alizadeh stb. vizsgálta a 0,2 mm vastagságú hőszigetelő fedékek hőizolációs hatását gáz-hő csatolt számítógépes szimulációval. Az eredmények szerint a lap maximális hőmérséklete 19 K-rel csökkent, míg az átlagos hőmérséklet 34 K-rel. Prapamonthon stb. tanulmányozta a zavargás intenzitásának hatását a hőszigetelő fedett lapok hűtési hatékonyságára. Az eredmények szerint a hőszigetelő fedékek 16%-kal és 20%-kal növelhetik a lap felszínének összeshűtési hatékonyságát, illetve 8%-kal a lap hátsó sarkánál. Zhu Jian stb. létrehozott egy egydimenziós stabil modellt a fedett lapoknak termodinamikai szempontból, és elméletileg elemzett és kiszámította a hőszigetelő fedékek hőizolációs hatását. Shi Li stb. numerikusan tanulmányozta a C3X-et hőszigetelő fedékekkel. A 0,3 mm vastagságú kerámia réteg 72,6 K-rel csökkentheti a lap felszínének hőmérsékletét, és 6,5%-kal növelheti az összeshűtési hatékonyságot. A hőszigetelő fedék nem befolyásolja a lap felszínének hűtési hatékonyságának eloszlását. Zhou Hongru stb. numerikusan tanulmányozta a turbinalapok elejét hőszigetelő fedékekkel. Az eredmények szerint a hőszigetelő fedékek nemcsak csökkenthetik a metál lapok működési hőmérsékletét és a lapok belső hőmérséklet-gradiensét, de bizonyos mértékben ellenállhatnak a bemeneti forró pontok hőcsapásának is. Yang Xiaoguang stb. kiszámította a hőszigetelő fedékekkel ellátott vezérlápok kétdimenziós hőmérsékleti mezőjének és tömegének eloszlását a lapok belső és külső felületeinek hőátviteli együtthatójának megadásával. Wang Liping stb. háromdimenziós gáz-hő csatlakoztatott elemzést végeztek hőszigetelő fedékekkel ellátott turbinavezérlápokon, és tanulmányozták a fedett vastagság és a gáz sugárzás hatását a fedett hőmérsékleti mezőre. Liu Jianhua stb. elemzően vizsgálta a hőszigetelő fedékek hőizolációs hatását a Mark II hűtött lapok több rétegből álló hőszigetelő fedékekkel a lapok belső hőátviteli együtthatójának beállításával és a külső gáz-hő csatlakoztatásával.

1. Számítási módszer

1.1 Számítási modell

A hőszigetelő fedés a magas-hőmérsékletű gáz és a lógép-alapanyag felülete között helyezkedik el, és egy metális kötőrétegből és egy hőszigetelő kerámiai rétegből áll. Alapstrukturája az ábra 1-ben látható. A számítási modell elkészítésekor a hőszigetelő fedés struktúrájában lévő, magasabb hővezetékenyiséggel rendelkező kötőréteget figyelmen kívül hagyjuk, és csak a kisebb hővezetékenyiséggel bíró hőszigetelő kerámiai réteget tartjuk meg.

A 2. ábra a lészmódot mutatja a hőállító fedőanyaggal történő felkötéskor. A lész többcsatornás forgási hűtési szerkezetet tartalmaz, két kifúvó filmhűtési lyukkal a vezérlőélén, középső szélstrukturával az utóélén és H alakú csatornastrukturával a lész tetején. A hőállító fedőanyag csak a lésztestre és az alsó él lapján van felszórva. Mivel a lészgyökéről lefelé a hőmérséklet alacsonyabb és nem a kutatás fókusza, hogy a számítási rácsok számát csökkentsük, a gyökéről lefelé levő részt figyelmen kívül hagyjuk a számítási modell beállításakor, és a 3. ábrán látható számítási területi modellt alkotjuk.

1.2Számítási módszer

A turbin hűtőláp belső geometriája viszonylag bonyolult, és strukturált rácsok használata nehéz. Az unstrukturált rácsok alkalmazása jelentősen növeli a számítási munkaterhelést. Ebben az összefüggésben a cikk egy poliéderes rács-generátort használ a laphoz és a gáz-doméniumhoz tartozó rácsosításhoz. A rácsosítás, a rácsmodell a 4. ábrán látható.

A számítási modellben a hőállító fedélzet vastagsága extrémisan kicsi, kisebb, mint a lapfal vastagságának 1/10-e. Ennek megfelelően ez a cikk egy vékony rács-generátort használ a hőállító fedélzet háromszoros poliéderes henger alakú rácsosítására. A vékony rácsosítás rétegeinek számát függetlenné tekinthetjük, mivel a vékony rácsosítás rétegeinek száma majdnem nem hatással van a laphőmérsékleti mezőre.

A folyadéktartomány a Reynolds-átlagosított Navier-Stokes egyenletek (RANS) turbulencia modelljeben alkalmazza a Valósítható K-Epsilon Kétrétegű modellt. Ez a modell nagyobb rugalmasságot biztosít az egész y+ fal mesh feldolgozásához. Nemcsak jól kezeli a finom hálózatokat (azaz, alacsony Reynoldsz-számú típusú vagy alacsony y+ hálózatok), de a legnagyobb pontossággal kezeli a közepes hálózatokat (azaz, 1＜y+＜30), amely hatékonyan egyensúlyozza a stabilitást, a számítási költségeket és a pontosságot.

1.3Határfeltételek

A gázbejárati nyílás egy teljes nyomású stagnációs befogadóként van beállítva, a hűtőgáz befogadója pedig tömegáram befogadóként működik, míg a kijárathoz statikus nyomású kijárati feltétel van rendelve. A gázcsatorna fedőfelülete folyadék-szilárd test kapcsolatú felületként van beállítva, a fedőanyag és a lógépészeti metalfelület szilárd test felületként van megadva, és a csatorna mindkét oldala forgás periódusaként van beállítva. Mind a hideg gáz, mind a gáz ideális gáz, és a gáz hőkapacitása és hővezetéke a Sutherland-képlet szerint van beállítva. A megfelelő számítási határfeltételek: a főáram belépési teljes nyomása a gázcsatornában 2,5 MPa, a belépési hőmérséklet eloszlása a sugári hőmérséklet gradienssel látható az ábrán 5-ön, a lógép hidegcsatornájának hideg gáz befogadó áramlási sebessége 45 g/s, a teljes hőmérséklet 540 ℃, és a kijárati nyomás 0,9 MPa. A lógép anyaga nikkelalapú egyedgyermekes magas-hőmérsékletű ötvözött fémmaterial, amelynek a hővezetéke a hőmérséklettel változik. Az eddig ismert anyagok közül a hőálló fedőanyagok általában stabil ittrium zirkónium oxid (YSZ) anyagokat vagy zirkónium oxid (ZrO2)-t használnak, amelyek hővezetése kevésbé változik a hőmérséklet növekedésével, ezért a számítás során a hővezetést 1,03 W/(m·K)-ra állították.

2 Számítási eredmények elemzése

2.1 Légyfelszín hőmérséklete

A 6. és 7. ábra bemutatja az egyre növekvő fedet vastagság hatását az uncoated varázs felszín-hőeloszlására illetve a különböző fedet vastagságoknál mérhető metalfelületi hőeloszlásra. Világosan látható, hogy a fedet vastagságának folyamatos növekedése során a varázsmetal felületi hőmérséklete lassan csökken, és a különböző vastagságoknál mért varázsmetal felületi hőeloszlás alapvetően ugyanazt a szabályosságot követi: a nyomásfelület közepénél alacsonyabb a hőmérséklet, míg a varázsponton magasabb. A varázspont általában a legnehezebben hűtött rész a teljes varázsban, és a ponti csúszkák nehézben hűtik a hideg légkörrel közvetlenül. A számítási modellben a fedet csak a varázstest felületét takarja, nem pedig a varázspontot, így nincs akadály a gázkoldalról érkező hőnek, és ezért a magas hőmérsékletű terület mindig létezik a varázsponton.

A 8. ábra mutatja a varrógép lapmetalľ felületének átlagos hőmérsékletének görbéjét vastagsággal való változásban. Látható, hogy a varrógép lapmetalľ felületének átlagos hőmérséklete csökken a fedés vastagságának növekedésével. Ez abból fakad, hogy a hőállító fedés hővezetéke alacsony, ami növeli a hős lég és a metal varrógép közötti hőellenállást, hatékonyan csökkentve a varrógép lapmetalľ felületének hőmérsékletét. Amikor a fedés vastagsága 0,05 mm, a varrógép testének átlagos hőmérséklete 21 °C-rel csökken, majd amint a hőállító fedés vastagsága növekszik, a varrógép felületének hőmérséklete tovább csökken; amikor a fedés vastagsága 0,20 mm, a varrógép testének átlagos hőmérséklete 49 °C-rel csökken. Ez alapvetően megegyezik a Zhang Zhiqiang stb. által a hideg hatás-próbával mérte hőmegmaradási hatással.

A 9. ábra egy görbével mutatja az éle alakzat felszín-hőmérsékletének változását az axiális húszón hosszánél. A 9. ábráról látható, hogy különböző vastagságú hőállító fedések esetén a hőmérséklet-változási trend az axiális húszón mentén alapvetően ugyanaz, és az alsó felület hőmérséklete jelentősen magasabb, mint a felső felületé. Az axiális húszón irányában mindkét felület hőmérséklete először csökken, majd növekszik, és van egy bizonyos rezgés a hátsóél területén, amelyet a hátsóél közepén található szétvágott-szivattyú hűtés szerkezetéből okoznak. Ugyanakkor a hőállító fedéselőtt ellátott lóhaj hőmérséklete jelentősen csökkent, és az alsó felület hőmérsékletcsökkenése jelentősen nagyobb, mint a felső felületénél. A hőmérséklet-csökkenés lassan csökken a vezérlő él felől a hátsóél felé, és minél közelebb van a lóhaj vezérlőjéhez, annál nagyobb a hőmérséklet-csökkenés.

A lengőfém hőmérsékletének egyenletessége hatással van a lengő hői tömegtartalékos stressz szintjére, ezért ebben a tanulmányban az egyenletesség indexét használjuk a solid lengő hőmérsékleti egyenletességének mérésére. Hőegyenletesség-index:

Ahol: c minden egység térfogata, T- a hőmérséklet térfogati átlaga, Tc a rács egységének hőmérséklete, és Vc a rács egységének térfogata. Ha a térfogati hőmérsékleti mező egyenletes eloszlású, akkor az egyenletesség index 1. A 10. ábráról látható, hogy a térhőszigetelő fedés alkalmazása után a lengő hőmérsékleti egyenletessége jelentősen javult. Amikor a fedés vastagsága 0,2 mm, a lengő hőegyenletesség-indexe 0,4%-kal nő.

2.2 Fedés felületi hőmérséklet

A fedőanyag felületének hőmérséklet-változása a 11. ábrán látható. A 11. ábráról láthatóan, ahogy növekszik a fedőanyag vastagsága, folyamatosan nő a hőállító fedőanyag felületi hőmérséklete, ami pontosan ellentétes a lésze felületének átlagos hőmérséklet-változási tendenciájával. Ahogy nő a hőellenállás a fedőanyag vastagságának irányában, a hőmérséklet-különbség nő a fedőanyag és a lésze felülete között, és a felületre halmozódó hő nehezebben terjed ki a fémlészre. Amikor a fedőanyag vastagsága 0,20 mm, a fedőanyag belső és külső része közötti hőmérséklet-különbség 86 °C-re emelkedik.

2.3 Lésze keretszintje hőmérséklet

A 12. ábra a varrógép- és visszatérítőélhőmérsékleti eloszlását mutatja a természetes és a hőálló bárkamentes felületek esetén. A felület hőálló bárkamentes záporozása után a varrógép keretszintjén mérhető hőmérséklet jelentősen csökken, és enyhül a hőáramlás. Ez azért van, mert a hőálló bárkamentes réteg alkalmazása után csökkent a rétegben lévő hőáram-sűrűség. Azonban, mivel a hőálló bárkamentes anyag alacsony hővezetékenységgel rendelkezik, nagyon éles hőmérséklet-változások fordulnak elő a hőálló bárkamentes anyag szilárd testében.

Kapcsolatfelvétel

Köszönjük érdeklődését a vállalatunk iránt! Mint professionális gázturbinás részek gyártója, továbbra is elkötelezett maradunk a technológiai innováció és a szolgáltatás fejlesztése felé, hogy világszerte magas minőségű megoldásokat nyújtsunk vásárlóinknak. Ha bármilyen kérdése, javaslatja vagy együttműködési szándéka van, nagyon szívesen segítünk Önnek. Kérjük, vegye fel velünk a kapcsolatot az alábbi módon:

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