Sunkiasvorių dujų turbinų ir jų šiluminės izoliacijos dangų tyrimų pažanga ir plėtros tendencijos (4)

Pagrindinės dujų turbinos šiluminės barjerinės dangos savybės

Kadangi antžeminių sunkiųjų dujų turbinų darbas paprastai vyksta sudėtingoje aplinkoje, o priežiūros ciklas yra ilgas, jis gali trukti net 50,000 4 valandų. Todėl, siekdami patobulinti dujų turbinų šiluminės barjerinės dangos technologiją ir pailginti šilumos barjerinės dangos tarnavimo laiką, pastaraisiais metais mokslininkai atliko daug tyrimų apie pagrindines termoizoliacinės dangos savybes, tokias kaip šilumos izoliacija, atsparumas oksidacijai, atsparumas šiluminiam smūgiui ir CMAS atsparumas korozijai. Tarp jų šilumos izoliacijos, atsparumo oksidacijai ir atsparumo šiluminiam smūgiui tyrimai ir pažanga yra santykinai pakankami, tačiau atsparumas CMAS korozijai yra gana menkas. Tuo pačiu metu CMAS korozija tapo pagrindiniu terminio barjero dangų gedimo būdu, trukdančiu kurti naujos kartos didelio našumo dujų turbinas. Todėl šioje dalyje iš pradžių trumpai pristatoma šiluminės barjerinės dangos šiluminė izoliacija, atsparumas oksidacijai ir atsparumas šiluminiam smūgiui, o vėliau XNUMX skyriuje dėmesys sutelkiamas į CMAS korozijos mechanizmo ir šilumos barjerinių dangų apsaugos technologijos tyrimų eigą.

Šilumos izoliacijos savybė

Plėtojant pramonę, didelio našumo dujų turbinos kelia aukštesnius turbinos įleidimo temperatūros reikalavimus. Todėl labai svarbu pagerinti termoizoliacinės dangos šilumos izoliaciją. Šilumos barjerinės dangos šilumos izoliacija yra susijusi su dangos medžiaga, struktūra ir paruošimo procesu. Be to, termoizoliacinės dangos eksploatavimo aplinka taip pat turės įtakos jos šilumos izoliacijai.

Šilumos laidumas paprastai naudojamas kaip šiluminės barjerinės dangos šilumos izoliacijos rodiklis. Liu Yankuan ir kt. [48] ​​paruošė 2 mol % Eu3+ legiruotą YSZ dangą su APS, o lyginant su YSZ danga, gauti rezultatai parodė, kad 2 mol % Eu3+ legiruotos YSZ dangos šilumos laidumas buvo mažesnis, tai yra 2 mol. % Eu3+ legiruota YSZ danga buvo geresnė. Nustatyta, kad dangos porų erdvinės ir geometrinės charakteristikos turi didelę įtaką šilumos laidumui [49]. SUN ir kt. [50] atliko lyginamąjį skirtingų porų struktūrų šiluminės barjerinės dangos šilumos laidumo ir tamprumo modulio tyrimą. Rezultatai rodo, kad šiluminės barjerinės dangos šilumos laidumas ir tamprumo modulis mažėja mažėjant porų dydžiui, o kuo didesnis poringumas, tuo mažesnis šilumos laidumas. Daugybė tyrimų parodė, kad lyginant su EB-PVD danga, APS danga turi geresnę šilumos izoliaciją, nes APS danga turi didesnį poringumą ir mažesnį šilumos laidumą [51]. RATZER-SCHEIBE ir kt. [52] ištyrė EB-PVD PYSZ dangos storio įtaką šilumos laidumui ir rezultatai parodė, kad EB-PVD PYSZ dangos storis labai paveikė jo šilumos laidumą, tai yra, dangos storis taip pat buvo vienas iš svarbūs veiksniai, turintys įtakos termoizoliacinės dangos šilumos izoliacijai. Gong Kaisheng ir kt. tyrimų rezultatai. [53] taip pat rodo, kad naudojant faktinio dangos storio diapazoną dangos šilumos izoliacijos savybės yra proporcingos jos storiui ir aplinkos temperatūros skirtumui. Nors šiluminės barjerinės dangos šiluminės izoliacijos savybės pagerės didėjant storiui, kai dangos storis ir toliau didėja iki tam tikros vertės, dangoje lengva sukelti įtempių koncentraciją, dėl kurios anksti sugenda. Todėl, siekiant pagerinti dangos šilumos izoliacijos savybes ir pailginti jos tarnavimo laiką, dangos storis turėtų būti pagrįstai reguliuojamas.

Atsparumas oksidacijai

Aukštos temperatūros oksidacijos sąlygomis šiluminės izoliacijos dangoje lengvai susidaro TGO sluoksnis. TGO įtaka šiluminio barjero dangai [54] turi dvi puses: Viena vertus, susidaręs TGO gali neleisti deguoniui toliau sklisti į vidų ir sumažinti išorinį poveikį lydinio matricos oksidacijai. Kita vertus, nuolat tirštėjant TGO, dėl didelio elastingumo modulio ir didelio skirtumo tarp jo šiluminio plėtimosi koeficiento ir lipniojo sluoksnio, aušinimo proceso metu taip pat gana lengva sukelti didelį įtempimą, dėl kurio danga greitai nubyra. Todėl, norint pailginti šiluminės barjerinės dangos tarnavimo laiką, būtina skubiai pagerinti dangos atsparumą oksidacijai.

XIE ir kt. [55] tyrinėjo TGO formavimąsi ir augimo elgseną, kuri daugiausia buvo suskirstyta į du etapus: pirma, tankus. α-Ant jungiamojo sluoksnio susidarė Al2O3 plėvelė, o po to tarp keraminio sluoksnio ir susidarė akytas mišrus oksidas. α-Al2O3. Rezultatai rodo, kad pagrindinė medžiaga, sukelianti šilumos barjerinės dangos įtrūkimus, yra akytas mišrus oksidas TGO, o ne α-Al2O3. LIU ir kt. [56] pasiūlė patobulintą metodą, skirtą modeliuoti TGO augimo greitį, atliekant skaitinę įtempių raidos analizę dviem etapais, kad būtų galima tiksliai numatyti šiluminės barjerinės dangos tarnavimo laiką. Todėl TGO storis gali būti veiksmingai kontroliuojamas kontroliuojant akytų kenksmingų mišrių oksidų augimo greitį, kad būtų išvengta priešlaikinio terminio barjero dangų gedimo. Rezultatai rodo, kad naudojant dvigubą keraminę termobarjerinę dangą, ant dangos paviršiaus nusodinant apsauginį sluoksnį ir pagerinant dangos paviršiaus tankį, TGO augimą galima pristabdyti, o dangos atsparumas oksidacijai gali būti pagerintas. tam tikru mastu. AN ir kt. [57] naudojo APS technologiją, kad paruoštų dviejų rūšių šiluminės barjerines dangas: TGO susidarymas ir augimo elgsena buvo tiriama atliekant izoterminės oksidacijos bandymus esant 1 100℃. Pirmoji yra YAG/YSZ dviguba keraminė barjerinė danga (DCL TBC), o antroji – YSZ vienguba keraminė barjerinė danga (SCL TBC). Tyrimo rezultatai rodo, kad TGO formavimosi ir augimo procesas vyksta pagal termodinamikos dėsnius, kaip parodyta 5 pav.: Pagal (1) ~ (8) formulę iš pradžių susidaro Al2O3, o vėliau Y jonų oksidacija suformuoja itin ploną. Y2O3 sluoksnis ant Al2O3 TGO paviršiaus, ir jie reaguoja vienas su kitu, sudarydami Y3Al5O12. Kai Al jonas sumažinamas iki tam tikros vertės, kiti jungiamojo sluoksnio metalo elementai oksiduojasi prieš ir po mišrių oksidų (Cr2O3, CoO, NiO ir špinelio oksidų ir kt.) susidarymo, pirmiausia sudarydami Cr2O3, CoO, NiO, o vėliau reaguodami su (Ni, Co) O ir Al2O3 sudaro (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reaguoja su Cr2O3 ir susidaro (Ni, Co) Al2O4. Palyginti su SCL TBC, TGO susidarymas ir augimo greitis DCL TBC yra lėtesnis, todėl jis turi geresnes antioksidacines savybes aukštoje temperatūroje. Xu Shiming ir kt. [58] naudojo magnetroninį purškimą, kad nusodintų plėvelę ant 7YSZ dangos paviršiaus. Po terminio apdorojimo, α-Al2O3 sluoksnis buvo sukurtas in situ reakcijos būdu. Tyrimas parodė, kad α-Ant dangos paviršiaus susidaręs Al2O3 sluoksnis gali pagerinti dangos atsparumą oksidacijai, užkertant kelią deguonies jonų difuzijai. FENG ir kt. [59] parodė, kad APS YSZ dangos paviršiaus perlydymas lazeriu gali pagerinti dangos atsparumą oksidacijai, daugiausia todėl, kad perlydymas lazeriu gali pagerinti dangos tankinimą, taip sulėtindamas TGO augimą.

Atsparumas šilumai

Kai sunkiųjų dujų turbinų karštieji komponentai yra naudojami aukštos temperatūros aplinkoje, jie dažnai patiria terminį šoką, kurį sukelia greiti temperatūros pokyčiai. Todėl lydinio dalis galima apsaugoti pagerinus šiluminės barjerinės dangos atsparumą šiluminiam smūgiui. Šiluminės barjerinės dangos atsparumas šiluminiam smūgiui paprastai tikrinamas terminio ciklo (šiluminio šoko) bandymu, pirmiausia tam tikrą laiką palaikoma aukštoje temperatūroje, o po to pašalinama, kad būtų galima aušinti orą / vandenį. Tai yra terminis ciklas. Šiluminės barjerinės dangos atsparumas šiluminiam smūgiui įvertinamas lyginant dangos patiriamų šiluminių ciklų skaičių, kai ji sugenda. Tyrimai parodė, kad gradientinės struktūros šiluminės barjerinės dangos atsparumas šiluminiam smūgiui yra geresnis, daugiausia dėl to, kad gradientinės struktūros šiluminės barjerinės dangos storis yra mažas, o tai gali sulėtinti dangos šiluminį įtempimą [60]. ZHANG ir kt. [61] atliko terminio ciklo bandymus esant 1 000℃ trijų formų dėmių, juostų ir tinklelių šiluminės barjerinės dangos, gautos lazeriu perlydant NiCrAlY / 7YSZ šiluminės barjerinės dangos, ir ištyrė išpurkštų bandinių ir trijų skirtingų formų mėginių atsparumą šiluminiam smūgiui po apdorojimo lazeriu. Rezultatai rodo, kad taškinio mėginio atsparumas šiluminiam smūgiui yra geriausias, o terminio ciklo trukmė yra dvigubai didesnė nei purškiamo mėginio. Tačiau dryžuotų ir tinklelių mėginių atsparumas šiluminiam smūgiui yra blogesnis nei purškiamų mėginių, kaip parodyta 6 paveiksle. Be to, daugybė tyrimų parodė, kad kai kurios naujos dangos medžiagos turi gerą atsparumą šiluminiam smūgiui, pvz. SrAl12O19 [62] pasiūlė ZHOU ir kt., LaMgAl11O19 [63] pasiūlė LIU ir kt., ir Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] pasiūlė HUO ir kt. Todėl, siekiant pagerinti šiluminės barjerinės dangos atsparumą šiluminiam smūgiui, be dangos konstrukcijos ir optimizavimo, galima rasti ir sukurti naujas medžiagas, turinčias gerą atsparumą šiluminiam smūgiui.