Tyrimas apie termalinių barjerų sluoksnio poveikio mechanizmą turbinos lopų šaldo efektyvumui tam tikro tipo dujų turbinoje

Norint gauti šiltnamio izoliacijos efekto ir temperatūros skirstymo dėsnį termaliniame barijeriniame sluoksnyje ant turbinos lopų, kaip pagrindinį modelį buvo naudotas tam tikras tipo dujinės turbinos aukštos slėgio judanti lopa su vidiniu šaldymo struktūra. Naudojant dujos-silpno jungiamąjį metodą, buvo skaitmeniškai apskaičiuotas aukštos slėgio judančios lopos šaldymo efektas su ir be termaliniame barijeriniame sluoksnyje apsaugojimo, bei buvo tyrima termalinio barijerinio sluoksnio poveikis lopos šiluminiams perdavimams keičiant termaliniame barijeriniame sluoksnyje storį. Tyrimas parodė, kad po termaliniame barijeriniame sluoksnyje uždengimo, lopos temperatūra žymiai sumažėjo, tuo artimesniui prie priekinio krašto, didesnis yra temperatūros sumažėjimas, o temperatūros sumažėjimas slėgmiesčio puse yra didesnis nei šluosties pusėje; 0,05-0,2 mm storis termaliniame barijeriniame sluoksnyje gali sumažinti lopos metalo paviršiaus vidutinę temperatūrą 21-49 °C; kai padidėja sluoksnio storis, lopos metalo viduje temperatūros skirstymas taps vienareikšmiškesnis.

Gazo turbinų kūrimo procese, siekiant pagerinti variklio galios ir termodinaminę efektyvumą, padidėja ir turbinos įvesties temperatūra. Turbinos lankeliai yra patekti į aukštesnių temperatūrų dujų poveikį. Kai turbinos įvesties temperatūra vis labiau auga, oro šaldymas vienas jau nebegali tenkinti reikalavimų. Termalinių barjerinių sluoksnių, kaip veiksmingojo būdo pagerinti medžiagų aukštąją temperatūrą ir korozijos išoliaciją, naudojimas yra vis didesnis.

Termine varžybiniai sluoksniai paprastai prilipinami prie lopų paviršiaus plazminiu flamso spalvymu ar elektroniniu spinduliu. Jie turi aukšto kilimo taško ir atsparumo terminei šokui, dėl kurių pagerėja turbininių lopų gebėjimas iškilti nuo oksidacijos ir terminei korozijai, mažėja lopų temperatūra ir ilgesnis yra jų naudojimo laikas. Alizadeh ir kt. tyrė termine izoliacijos efektą 0,2 mm termine varžybinio sluoksnio naudojant dujų-šilumos jungtinę skaitmeninę modeliavimo metoda. Rezultatai parodė, kad lopų maksimali temperatūra sumažėjo 19 K, o vidutinė temperatūra - 34 K. Prapamonthon ir kt. tyrė turbulencijos stiprumo įtaką termine varžybinio sluoksnio šaldymo efektyvumui. Rezultatai rodo, kad termine varžybine sluoste galima padidinti bendrą šaldymo efektyvumą lopų paviršiuje nuo 16% iki 20%, o lopų gale - 8%. Zhu Jian ir kt. sukūrė vienmatį stabilųją modelę termodinaminės perspektyvos apžvalgai dėl termine varžybinio sluoksnio izoliacijos efekto. Shi Li ir kt. atliko skaitmeninę C3X tyrimą su termine varžybine sluoste. 0,3 mm keramikinis sluoksnis gali sumažinti lopų paviršiaus temperatūrą 72,6 K ir padidinti bendrą šaldymo efektyvumą 6,5%. Termine varžybine sluoste neturi įtakos šaldymo efektyvumo lopų paviršiaus skirstymui. Zhou Hongru ir kt. atliko skaitmeninį tyrimą turbininių lopų priekiniame krašte su termine varžybine sluoste. Rezultatai parodyti, kad termine varžybinis sluoksnis ne tik sumažina metalinių lopų veikimo temperatūrą ir temperatūros gradientą lopuose, bet ir tam tikru mastu atspariai reaguoja į įeities karštųjų taškų termine šokį. Yang Xiaoguang ir kt. apskaičiavo dvimatę temperatūros lauko dalį ir stresą vamzdžių su termine varžybine sluoste, nurodžius šilumos perdavimo koeficientus lopų vidaus ir išorės paviršiuje. Wang Liping ir kt. atliko trimatį dujų-šilumos jungtinį analizę turbininių vamzdžių su sudėtingais šaldymo struktūromis ir tyrė sluoksnio storio ir dujų šilumos įtaką sluoksnio temperatūros laukui. Liu Jianhua ir kt. analizavo termine varžybinio sluoksnio izoliacijos efektą Mark II šaldymo lopams su daugiakilpiais termine varžybiniais sluoksnių, nustatydami vidaus šilumos perdavimo koeficientą ir išorinę dujų-šilumos jungimą.

1.Skaičiavimo metodas

1.1Skaičiavimo modelis

Šiluminis barjerinis sluoksnis yra tarp aukštos temperatūros dujų ir lopio aliaus paviršiaus, o jį sudaro metalinis jungties sluoksnis ir šilumos izoliacinis keramikos sluoksnis. Jo pagrindinė struktūra pateikiama paveiksle 1. Skaičiavimo modelio kūrimo metu termaliniame barjeriniame sluoksnyje struktūroje ignoruojamas šilumos laidžiojo jungties sluoksnis, o paliekamas tik mažesniu šilumos laidžioju išskyrus šilumos izoliacinis keramikos sluoksnis.

Kartinklėje 2 parodytas lopio modelis po termalinių barjerinių sluoksnio uždengimo. Lopis turi daugiakanališką sukamąjį šaldymo struktūrą, su dviem išėjimo filmo šaldymo skylutėmis priekiniame krašte, vidurinėja spalvotoji struktūra galiniame krašte ir H formos juosta lopio viršuje. Termalinis barjerinis sluoksnis yra išmestas tik ant lopio kūno ir apatinės lento paviršiaus. Kadangi temperatūra žemiau lopio šaknies yra žema ir tai nėra tyrime nagrinėjamas aspektas, siekiant sumažinti skaičiavimo tinklo skaičių, dalis žemiau šaknies ignoruojama nustatant skaičiavimo modelį, o sudaromas skaičiavimo srities modelis, parodytas kartinklėje 3.

1.2Skaitmeninis skaičiavimo metodas

Vidinė turbinos šalytojo geometrija yra santykinai sudėtinga, ir struktūruotais tinklais naudoti sunku. Nestruktūruotų tinklų naudojimas didelį mastą padidina skaičiavimų kiekį. Šiame tyrimo darbe vartojamas poligonalinis tinklo generuoklis, kad sujungtų šalytoją ir dujų sritį. Tinklo dalijimas, tinklo modelis pavaizduotas 4-ajame brangyje.

Skaičiavimo modelyje termalinių barjerų sluoksnio storis yra labai mažas, mažesnis nei 1/10 dalis nuo šalytojo sienos storio. Todėl šiame straipsnyje vartojamas plonųjų tinklų generuoklis, kad termalinius barjerus padalintų į tris poligonalinius prizmatinius tinklus. Plonųjų tinklų sluoksnių skaičius buvo patikrintas kaip nepriklausomas, ir plonųjų tinklų sluoksnių skaičius beveik neturi įtakos šalytojo temperatūros laukui.

Skysties sritis naudoja Realizacijos K-Epsilon Dviejų Slapulių modelį Reynoldso vidurkiniuose Navierio-Stokso lygčių (RANS) turbulentumo modelyje. Šis modelis suteikia didesnį lankstumą viso y+ sienos tinklo apdorojimui. Jis gali ne tik gerai tvarkyti detalesnius tinklus (tobulėjantį Reynolds skaičių arba mažus y+ tinklus), bet ir efektyviausiai apdoroti tarpinius tinklus (tobulėjantį 1<y+<30), kuriuos galima veiksmingai suderinti tarp stabilumo, skaičiavimo išlaidų ir tikslumo.

1.3 Ribinės sąlygos

Dujo įvadas nustatytas kaip bendros slėgio statinis įvadas, šaldymo oro įvadas yra masinio srauto įvadas, o išėjimas nustatytas kaip statinio slėgio išėjimas. Duju kanalo denginyje paviršius nustatytas kaip skysčio-tvermės jungiamasis paviršius, denginys ir lopų metalinis paviršius nustatytas kaip tvermės sąsaja, o kanalo abu pusės nustatytos kaip sukimo periodas. Abiejai šaltosios dujos ir dujos yra idealios dujos, o dujų šiltnamio ir termodiferencijos koeficientai nustatyti naudojant Sutherlando formulę. Atitinkamos skaičiavimo ribinės sąlygos yra: pagrindinio dujų kanalo įvado bendras slėgis yra 2,5 MPa, įvados temperatūros pasiskirstymas su radialiu temperatūros gradientu pateiktas 5 paveikslėlyje, šaltosios dujos įvados srautas lopų šaltajame kanale yra 45 g/s, bendroji temperatūra yra 540 °C, o išėjimo slėgis yra 0,9 MPa. Lopų medžiaga yra niklo bazinis vienintis kristalinis aukštos temperatūros aliejus, o medžiagos termodiferencija kinta su temperatūra. Esančių medžiagų atžvilgiu termaliniams barijeriniams denginiams paprastai naudojamos stabilios zirkonio rūgštys su itrio (YSZ) medžiagomis arba zirkonio rūgščiomis (ZrO2), kurios termodiferencija mažai kinta su temperatūra, todėl skaičiavime termodiferencija nustatyta kaip 1,03 W/(m·K).

2 Skaičiavimo rezultatų analizė

2.1 Laidos paviršiaus temperatūra

Vaizdai 6 ir 7 rodo paviršiaus temperatūros skirstinį neapdengto lopio ir lopio metalo paviršiaus temperatūros skirstinį įvairiomis apdengos storumo, atitinkamai. Matyti, kad kai apdengos storis vis labiau didėja, lopio metalo paviršius laipsniškai sumažėja, o lopio metalo paviršiaus temperatūros skirstymas įvairiais storumais yra esanti praktiškai tas pats: viduriniame slėgio paviršiuje temperatūra yra žemesnė, o lopio galąse – aukštesnė. Lopio galas dažniausiai yra sudėtingiausias viso lopio dalis šaldyti, ir lopio galo ribų juostos sunku tiesiogiai šaldyti šilto oro. Skaičiavimo modelyje apdengos aptako tik lopio kūno paviršių, o lopio galas nėra apdengtas. Nėra šiltumui bariero iš dujų pusės lopio galu, todėl aukštos temperatūros zona lopio gale visada liksta.

8-aja figūra rodo kreivę, vaizduojančią vidutinį temperatūros pakeitimus lėkimo metalo paviršiuje priklausomai nuo storumo. Matyti, kad lėkio metalo paviršiaus vidutinė temperatūra mažėja kartu su termalinių barjerų sluoksnio storumo padidėjimu. Tai yra dėl to, kad termalinių barjerų sluoksnio šilumos laidumas yra mažas, kas padidina šilumos varžą tarp aukštesniojo oro ir metalinio lėkio, efektyviai sumažindamas lėkio metalo paviršiaus temperatūrą. Kai sluoksnio storis yra 0,05 mm, lėkio kūno vidutinė temperatūra sumažėja 21 °C, o vėliau, kartu su termalinių barjerų sluoksnio storumo padidėjimu, lėkio paviršiaus temperatūra toliau mažėja; kai sluoksnio storis yra 0,20 mm, lėkio kūno vidutinė temperatūra sumažėja 49 °C. Tai esanti pagrindiniu būdu sutampa su termalina izoliacijos veiksmu, matuotu Zhang Zhiqiang ir kt. per šaldymo testą.

Paveikslas 9 yra kreivė, rodanti pavidalo paviršiaus temperatūros pokytį ilg laisvės ašies. Kaip matyti iš paveikslo 9, skirtingais tolimojo barjerinio sluoksnio storiais, temperatūros pokytis ilg laisvės ašies yra esanti tas pats, o sugedimo paviršiaus temperatūra yra didesnė nei slėgmimo paviršiaus temperatūra. Laisvės ašies kryptimi, slėgmimo ir sugedimo paviršiaus temperatūra pradžioje mažėja, o vėliau didėja, ir galiniame rajone yra tam tikrų svyravimų, kurie sukelti struktūros forma dėl padalintos spalvos šaldymo galiniame dalyje. Tuo pačiu metu, temperatūra ant pavidalo su tolimojo barjerinio sluoksnio apima žymiai sumažėjusi, o temperatūros sumažėjimas ant sugedimo paviršiaus yra gausiai didesnis nei ant slėgmimo paviršiaus. Temperatūros sumažėjimas lėtai mažėja nuo priekinio krašto iki galinio krašto, ir kuo artimesnis prie pavidalo priekinio krašto, tuo didesnis temperatūros sumažėjimas.

Liaistės metalo temperatūros vienalytis įtakoja liaistės termodinaminę stresą, todėl šiame straipsnyje naudojamas temperatūros vienalytis indeksas, kad būtų matuojama solidinio profilio temperatūros vienalytis. Temperatūros vienalytis indeksas:

Kur: c yra kiekvieno elemento tūris, T - yra temperatūros tūrio vidurkis, Tc yra tinkamo elemento temperatūra, o Vc yra tinkamo elemento tūris. Jei tūrio temperatūros laukas yra tolygiai pasiskirstęs, tūrio vienalytis indeksas yra 1. Kaip matyti iš 10-osios nuotraukos, po termalinių barjerinių sluoksnių sprakinimo, liaistės temperatūros vienalytis ganažymiai pagerėjo. Kai sluoksnio storis yra 0,2 mm, liaistės temperatūros vienalytis indeksas padidėjo 0,4 procento.

2.2 Sluoksnio paviršiaus temperatūra

Temperatūros pokytis ant stalo paviršiaus rodomas 11-ajame paveikslėlyje. Iš 11-ajame paveikslėlio matyti, kad su didėjančiu stalo storumu, tolimojo barjerinio stalo paviršiaus temperatūra visą laiką auga, ką tikriausiai galima pavadinti kitu būdu nei lyginant su lopų paviršiaus vidutiniu temperatūros pokytimo tendencija. Su didėjančiu šiluminiu varžymu stalo storumo linkme, tarp stalo paviršiaus ir lopų paviršiaus temperatūros skirtumas kartu su akumuliuojama šiluma paviršiuje yra sudėtingesnis difuzuoti į metalinį loptelę. Kai stalo storis yra 0,20 mm, tarp stalo išorės ir vidus temperatūros skirtumas siekia 86 °C.

2.3 Lopų skerspjūvio temperatūra

Kartinkle 12 parodyta temperatūros pasiskirstymo priekinėse ir galinėse jūros skerspjūvio ratų srityse su ir be tolimojo barjerinio sluoksnio. Po to, kai paviršius yra uždengtas tolimojo barjerinio sluoksnio, lopos skerspjūvio temperatūra yra esminiai sumažinta, o temperatūros gradientas yra sumenkintas. Tai yra dėl to, kad po to, kai yra pritaikytas tolimojo barjerinio sluoksnio, šilumos srauto tankis sluoksnyje yra sumažintas. Tuo pačiu metu, nes tolimojo barjerinio sluoksnio medžiaga turi mažą šilumos laidžiavimą, temperatūros pokyčiai viduje tolimojo barjerinio sluoksnio yra labai drastiniai.

Susisiekite su mumis

Dėkojame už jūsų interesą dėl mūsų įmonės! Kaip profesionalus dujų turbinos dalių gamybos įmonė, mes toliau sutelksime dėmesį į technologinio tyrimo ir paslaugų gerinimo klausimus, kad suteikti daugiau aukštos kokybės sprendimų klientams visame pasaulyje. Jei turite bet kokių klausimų, pasiūlymų ar bendradarbiavimo ketinių, mes su dideliu malonumu jums padėsime. Susisiekite su mumis tokiomis būdais:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
El. paštas: [email protected]