Pētījums par termālās barjeru slāpekļa ietekmes mehānismu uz turbinas loksnes dažādu tipu gāzu turbīnu dzesēšanas efektivitāti

Lai iegūtu termiskās izolācijas efektu un temperatūras sadalījuma likumu termiskās barjerētās segas uz turbinas loksnes, kā pamata modeli tika izmantots noteikts gāzes turbīnas augstspiediena turbinas kustamais loksnis ar iekšēju dzesēšanas struktūru. Augstspiediena turbinas kustamo loksni ar vai bez termiskās barjerētās segas aizsardzību skaitliski tika aprēķināta dzesēšanas efektivitāte, izmantojot gāzes-termiskās savienojuma metodi, un tika pētīta termiskās barjerētās segas ietekme uz loksnēs notiekošo šķidruma pārvietošanos, mainot termiskās barjerētās segas biežumu. Pētījums atklāja, ka pēc termiskās barjerētās segas pieliktības loksnēs temperatūra nozīmīgi pazuda, jo tuvāk priekšējai sānu, lielāka ir temperatūras pazeminājums, un spiediena pusē temperatūras pazeminājums ir lielāks nekā sukcijas pusē; 0,05-0,2 mm biežuma termiskās barjerētās sega var samazināt loksnēs metāla virsmas vidējo temperatūru par 21-49 °C; ar segas biežuma pieaugumu loksnēs metāla iekšējā temperatūras sadalījums kļūst vienmērīgāks.

Gāzes turbinu izstrādē, lai uzlabotu motora spēku un termiskās efektivitāti, arī turbinas ieejas temperatūra pieaug. Turbinas loksnes pakļaujas augstu temperatūru gāzu iedarbībai. Kad turbinas ieejas temperatūra neierobežoti pieauga, tikai gaisa dzesēšana vairs neatbilst prasībām. Termiskie barjeras klājumi, kā efektīvs līdzeklis, lai uzlabotu materiālu augstās temperatūras un korozijas atbalsta īpašības, tiek arvien vairāk izmantoti.

Siltuma barjeru segojumi parasti tiek pielīmēti loksnes virsmā, izmantojot plazmas flamas spraudāšanu vai elektronu staru depozīciju. Tiem ir raksturīgas augstas ugunsgabalu punkta un siltuma šoka pretestības īpašības, kas var uzlabot gāzes turbinu loksņu spēju pretestot oksidācijai un termiskajam korozijai, samazināt loksņu temperatūru un pagarināt to dienestspēju. Alizadeh un citi pētīja 0,2 mm siltuma barjeru segojuma termisko izolācijas efektu, izmantojot gāzes-termisku koplīmenes skaitlisko simulāciju. Rezultāti parādīja, ka loksnes maksimālā temperatūra samazinās par 19 K, bet vidējā temperatūra - par 34 K. Prapamonthon un citi pētīja turbulentitātes intensitātes ietekmi uz siltuma barjeru segojumu apmierinošo dzesēšanas efektivitāti. Rezultāti parādīja, ka siltuma barjeru segojumi var palielināt loksnes virsmas kopējo dzesēšanas efektivitāti par 16% līdz 20% un par 8% loksnes aizmugurējā daļā. Zhu Jian un citi izveidoja viendimensiju stacionāro modeli termiskās izolācijas analīzei no termodinamikas perspektīvas un teorētiski analizēja un aprēķināja siltuma barjeru segojumu izolācijas efektu. Shi Li un citi veica skaitlisko pētījumu par C3X ar siltuma barjeru segojumu. 0,3 mm keramiskais slānis var samazināt loksnes virsmas temperatūru par 72,6 K un palielināt kopējo dzesēšanas efektivitāti par 6,5%. Siltuma barjeru segojums nedarbojas uz loksnes virsmas dzesēšanas efektivitātes sadalījumu. Zhou Hongru un citi veica skaitlisko pētījumu par gāzes turbīnu priekšējo malu ar siltuma barjeru segojumu. Rezultāti parādīja, ka siltuma barjeru segojumi ne tikai var samazināt metāla loksnes darbības temperatūru un temperatūras gradiantu loksnes iekšienē, bet arī atgriezties pret ieejas karstajiem punktiem līdz noteiktam līmenim. Yang Xiaoguang un citi aprēķināja divdimensiju temperatūras lauka un spiediena sadalījumu vadības lamatas ar siltuma barjeru segojumu, dots gan iekšējais, gan ārējais lieluma pārvadājumu koeficients. Wang Liping un citi veica tridimensiju gāzes-termisku koplīmenes analīzi par kompozīta dzesēšanas struktūrām aprīkotām gāzes turbīnas vadības lamatām un pētīja segojuma biežuma un gāzes radiācijas ietekmi uz segojuma temperatūras lauku. Liu Jianhua un citi analizēja Mark II dzesēšanas loksni ar vairākslāņu siltuma barjeru segojumu, iestatot iekšējo lieluma pārvadājumu koeficientu un ārējo gāzes-termisko koplīmeni.

1.Aprēķināšanas metode

1.1Aprēķināšanas modelis

Siltumbarjera segums atrodas starp augsttemperatūras gāzi un loksnes aliažu pamata virsmu, sastāvot no metāla saistīšanas slānis un siltumizolācijas keramikas slānis. Tā pamatstruktūra parādīta attēlā 1. Aprēķināšanas modeli veidojot, termobarijeru struktūrā ignorē saistīšanas slāni ar augstāku siltumvirzību, saglabājot tikai siltumizolācijas keramikas slāni ar zemāku siltumvirzību.

Zīmols 2 parāda loksnes modeli pēc termiskā barjera seguma pieliktšanas. Loksne ietver daudzkanālu rotācijas dzesēšanas struktūru, ar diviem filmas dzesēšanas caurumiem priekšējā malā, vidējo šķelta struktūru aizējā malā un H formas lodziņa struktūru loksnes virsotnē. Termiskais barjera segums tiek nošauts tikai uz loksnes ķēmes un apakšējā plāksnes virsmas. Kad tā kā temperatūra zem loksnes saknes ir zema un nav pētījumu fokuss, lai samazinātu aprēķinu režģu skaitu, saknes zemāko daļu ignorē, veidojot aprēķinu modeli, un konstruē aprēķinu domēnas modeli, kas parādīts Zīmolā 3.

1.2Skaitliskais aprēķinu metode

Iekšējā tūrīna dzesējošā lopatas ģeometrija ir salīdzinoši sarežģīta, un strukturētiem režģiem to izmantot ir grūti. Nestrukturēto režģu izmantošana nozīmīgi palielina aprēķinu daudzumu. Šajā rakstā ir izmantots poliedriskais režģa ģeneratora, lai veidotu režģi lopai un gāzes domēnā. Režģa sadalījums, režģa modelis parādīts 4. figūrā.

Aprēķinu modelī siltumbarjera seguma biežums ir ārkārtīgi mazs, mazāks par 1/10 no lopas sienas biežuma. Tāpēc šajā darbā tiek izmantots plakanu režģu ģeneratora, lai siltumbarjera segumu sadalītu trīs slāņos no poliedriskiem prizmiskajiem režģiem. Plakanu režģu slāņu skaits ir pārbaudīts kā neatkarīgs, un plakanu režģu slāņu skaits gandrīz neietekmē lopas temperatūras lauku.

Dinamikas domēna aprakstīšanai tiek izmantots Reālizētais K-Epsilon Divu Slāņu modeļa pieeja Rejnosas vidējiem Navje-Stoksa vienādojumiem (RANS) turbulentuma modelim. Šis models nodrošina lielāku elastību veselā y+ sienas tīkla apstrādē. Tas ne tikai labi apmierina detaļētus tīklus (piem., zems Reinolds skaitļa tips vai zems y+ tīkls), bet arī precīzi apstrādā vidējos tīklus (piem., 1<y+<30), kas efektīvi līdzsvaro stabilitāti, aprēķinu maksu un precizitāti.

1.3robežu nosacījumi

Gāzes ieeja ir noteikta kā kopējā spiediena stagnācijas ieeja, dzeršanas gāzes ieeja ir masas plūsmas ieeja, bet izvade ir noteikta kā statiskā spiediena izvade. Klājuma virsma gāzes kanālā ir noteikta kā šķīstvielas-solīda saistības virsma, klājums un loksnes metāla virsma ir noteikti kā tveruma saskarnes punkts, un kanāla abas puses ir noteiktas kā rotācijas periods. Abas dzidrā gāze un gāze ir ideālas gāzes, un gāzes siltumkrājumu un termiskās vadītspējas parametri tiek noteikti, izmantojot Sutherlanda formulu. Atbilstošie aprēķinu robežu apstākļi ir: galvenā straume gāzes kanāla kopējais spiediens ir 2,5 MPa, ieejas temperatūras sadalījums ar radiālo temperatūras gradiantu parādīts Cilvēka 5, dzidrā gāze loksnes iekšējā kanālā ir 45 g/s, kopējā temperatūra ir 540 °C, un izvades spiediens ir 0,9 MPa. Loksnes materiāls ir nikla bāzētais vienkrājains kristāls augstas temperatūras alianss, un materiāla termiskā vadītspēja mainās ar temperatūru. Šobrīd esošo materiālu ziņā, termiskās barjeras klājumi parasti izmanto stabili zirkonija oksīdu ar itriju pievienojumu (YSZ) vai zirkonija oksīdu (ZrO2), kuru termiskā vadītspēja maz mainās ar temperatūru, tāpēc aprēķinos termiskā vadītspēja ir noteikta kā 1,03 W/(m·K).

2 Aprēķinājumu rezultātu analīze

2.1 Loksas virsmas temperatūra

Attēli 6 un 7 parāda neatliekto loksnes virsmas temperatūras sadalījumu un metāla virsmas temperatūras sadalījumu uz loksnes ar dažādiem seguma biežumiem. Redzams, ka ar seguma biežuma pieaugšanu loksnes metāla virsmas temperatūra progresīvi samazinās, un loksnes metāla virsmas temperatūras sadalījuma likums ir tikpat vienāds visos biežumos: spiediena puse vidū ir zemāka temperatūra, savukārt loksnes galā augstāka. Loksnes gals parasti ir sarežģītākais daļējs veselai loksnei, lai to dzesētu, un loksnes gala iebulti nav viegli dzesēt ar aukstāku gaisu. Aprēķinu modelī segums apvāršņo tikai loksnes ķermeni, bet loksnes galu nesegojas. No gāzes puses loksnes galam nav sasniegts karštuma bloķējošs efekts, tāpēc loksnes gala augstākā temperatūras zona turpinās pastāvēt.

Zīmols 8 parāda kreiso, kas attēlo vidējo temperatūru mainīgās smilšu biezuma dēļmetāla virsmas. Redzams, ka dēļmetāla virsmas vidējā temperatūra samazinās, palielinot segturiņa biezumu. Tas notiek tāpēc, ka siltumbarjeru segtura termiskā viedrība ir zema, kas palielina siltumrezistanci starp augstas temperatūras gāzi un metāldēli, efektīvi samazinot dēļmetāla virsmas temperatūru. Kad segtura biežums ir 0,05 mm, dēļa ķermeņa vidējā temperatūra samazinās par 21 °C, un tad, palielinot siltumbarjeru segtura biezumu, dēļa virsmas temperatūra turpinās dilst; kad segtura biezums ir 0,20 mm, dēļa ķermeņa vidējā temperatūra samazinās par 49 °C. Tas galvenokārt atbilst termoizolācijas ietekmei, ko mērīja Zhang Zhiqiang un kolēģi caur dzesēšanas efekta testiem.

Zīme 9 ir līkne, kas parāda malas temperatūras mainīšanos pār smailo gar skarto garumu. Kā redzams no zīmes 9, dažādās termiskā barjera apvalkojuma biežumās temperatūras maiņas trendi gar skarto garumu ir galvenokārt vienādi, un suglābšanas virsmas temperatūra ir nozīmīgi augstāka nekā spiediena virsmas temperatūra. Gar skarto garumu virsmai un suglābšanas virsmai temperatūra vispirms dilst un pēc tam pieaug, un starpnieka apgabalā ir noteikta svārstība, ko izraisa sadalīto spraudu šķeltās dūmu uzglabāšanas struktūra starpnieka vidū. Tāpat ar termiskā barjera apvalkojumu uzklātajai loksnei temperatūra nozīmīgi dilst, un temperatūras dilšana suglābšanas virsmā ir nozīmīgi lielāka nekā spiediena virsmā. Temperatūras dilšana progresīvi samazinās no priekšējā gala līdz aizmugurējam galam, un jo tuvāk loksnes priekšējais galā, jo lielāka temperatūras dilšana.

Līdzsvarotā loka metāla temperatūra ietekmē loka termiskās spiediena līmeni, tāpēc šajā rakstā tiek izmantots temperatūras līdzsvarošanas indekss, lai mērītu cietā loka temperatūras līdzsvaru. Temperatūras līdzsvarošanas indekss:

Kur: c ir katras vienības apjoms, T - ir temperatūras apjomu vidējais, Tc ir režģa vienības temperatūras vērtība, un Vc ir režģa vienības apjoms. Ja temperatūras lauks apjomā ir vienmērīgi sadalīts, tad apjomu līdzsvarošanas indekss ir 1. Kā redzams no attēla 10, pēc termiskā barjera slāja noplūduma loka temperatūras līdzsvars ir uzlabojies. Kad slāja biežums ir 0,2 mm, loka temperatūras līdzsvarošanas indekss pieaug par 0,4%.

2.2 Slāja virsmas temperatūra

Temperatūras mainīguma apakšnes virsmā parādīts attēlā 11. Kā redzams no attēla 11, palielinot apakšnes biežumu, turpinās pieaugt arī termiskā barjera apakšnes virsmas temperatūra, kas ir tieši pretēji vidējam temperatūras mainīguma trendam loksnes virsmā. Palielinot termisko pretestību apakšnes biežuma virzienā, starp apakšnes un loksnes virsmu progresīvi pieaug temperatūras atstarpe, un akumulētais siltums uz virsmas kļūst aizvien grūtāk izplatīties metāla loksnē. Kad apakšnes biežums ir 0,20 mm, apakšnes iekšējā un ārējā temperatūras atstarpe sasniedz 86 °C.

2.3 Loksnes skriešanas plaknes temperatūra

Zīmējums 12 parāda temperatūras sadalījumu līdzeklēs un malās ar un bez termiskajiem barjeru apvalkājiem. Pēc tam, kad virsma ir apvalkota ar termisko barjeru slāni, līdzekļa sk尔斯a temperatūra signifikanti samazinās, un temperatūras gradiens mierinajas. Tas notiek tāpēc, ka pēc termiskā barjera apvalkošanas siltuma plūsmas intensitāte slānī samazinās. Vienlaikus, jo termiskā barjera materiālam ir zema termiskā vedaņa, temperatūras mainības termiskā barjera cietajā daļā ir ļoti dramatiskas.

Sazinieties ar mums

Paldies, ka parādījāt interesi pret mūsu uzņēmumu! Kā profesionāls gāzes turbīnas daļu ražošanas uzņēmums mēs turpināsim veltīties tehnoloģiju inovācijām un pakalpojumu uzlabošanai, lai nodrošinātu vēl vairāk kvalitātes risinājumus klientiem visā pasaulē. Ja jums ir jautājumi, ieteikumi vai sadarbības nolūki, mēs ar lielu prieku jums palīdzēsim. Lūdzu, sazinieties ar mums šādiem veidiem:

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