Kajian tentang mekanisme pengaruh pelapis penghalang panas terhadap kesan penyejukan pada bilah turbin bagi jenis tertentu turbin gas

Untuk memperoleh kesan pemalaran haba dan hukum taburan suhu bagi pelapis penghalang haba pada bilah turbin, satu jenis bilah turbin tekanan tinggi gas dengan struktur penyejukan dalaman digunakan sebagai model asas. Kesan penyejukan bagi bilah turbin tekanan tinggi dengan atau tanpa pelindung pelapis penghalang haba dikira secara berangka menggunakan kaedah kawalan gas-haba, dan pengaruh pelapis penghalang haba terhadap pemindahan haba bilah dikaji dengan mengubah ketebalan pelapis penghalang haba. Kajian itu mendapati bahawa selepas dilapisi dengan pelapis penghalang haba, suhu bilah menurun secara ketara, semakin hampir kepada tepi hadapan, semakin besar penurunan suhu, dan penurunan suhu pada pihak tekanan lebih besar daripada pada pihak hisapan; pelapis penghalang haba dengan ketebalan 0.05-0.2 mm boleh mengurangkan suhu purata permukaan logam bilah sebanyak 21-49 ℃; apabila ketebalan lapisan bertambah, taburan suhu di dalam logam bilah akan menjadi lebih seragam.

Dalam pembangunan turbin gas, untuk meningkatkan kuasa dan kecekapan terma enjin, suhu masukan turbin juga semakin meningkat. Balingan turbin terdedah kepada impak gas suhu tinggi. Apabila suhu masukan turbin terus meningkat, penyejukan udara sahaja tidak lagi memenuhi keperluan. Penapis halangan terma, sebagai cara yang berkesan untuk meningkatkan ketahanan suhu tinggi dan perintang kerosakan bahan, telah digunakan dengan semakin ramai.

Penapis halangan terma biasanya ditempeli pada permukaan bilah dengan penyemburan plasma atau penyetapan sinar elektron. Mereka mempunyai ciri-ciri titik leburan tinggi dan keupayaan menahan kesejukan terma, yang dapat meningkatkan keupayaan bilah turbin untuk menahan oksidasi dan kerosakan terma, mengurangkan suhu bilah, dan memanjangkan tempoh perkhidmatan bilah. Alizadeh et al. mengkaji kesan termal insulasi bagi penapis halangan terma 0.2 mm melalui simulasi berangka gas-panas bersinergi. Keputusan menunjukkan bahawa suhu maksimum bilah telah dikurangkan sebanyak 19 K dan suhu purata dikurangkan sebanyak 34 K. Prapamonthon et al. mengkaji kesan intensiti turbulen ke atas kecekapan penyejukan bilah penapis halangan terma. Keputusan menunjukkan bahawa penapis halangan terma boleh meningkatkan kecekapan penyejukan komprehensif permukaan bilah sebanyak 16% hingga 20% dan 8% pada tepi belakang bilah. Zhu Jian et al. membina model satu dimensi keadaan mantap bagi bilah dilapisi dari perspektif termodinamik, dan secara teoritis menganalisis dan mengira kesan termal insulasi penapis halangan terma. Shi Li et al. menjalankan kajian berangka pada C3X dengan penapis halangan terma. Lapisan keramik 0.3 mm boleh mengurangkan suhu permukaan bilah sebanyak 72.6 K dan meningkatkan kecekapan penyejukan komprehensif sebanyak 6.5%. Penapis halangan terma tidak memberi kesan kepada taburan kecekapan penyejukan permukaan bilah. Zhou Hongru et al. menjalankan kajian berangka pada tepi hadapan bilah turbin dengan penapis halangan terma. Keputusan menunjukkan bahawa penapis halangan terma tidak hanya boleh mengurangkan suhu operasi bilah logam dan gradien suhu dalam bilah, tetapi juga menahan kesejukan terma titik panas masukan sehingga tahap tertentu. Yang Xiaoguang et al. mengira taburan medan suhu dua dimensi dan tegasan bagi pemandu van dengan penapis halangan terma dengan memberikan pekali pemindahan haba permukaan dalaman dan luaran bilah. Wang Liping et al. menjalankan analisis gas-termal tiga dimensi bersinergi pada pemandu van turbin dengan struktur penyejukan gubahan dan mengkaji kesan ketebalan penapis dan radiasi gas ke atas medan suhu penapis. Liu Jianhua et al. menganalisis kesan termal insulasi penapis halangan terma bagi bilah penyejuk Mark II dengan pelapukan pelbagai lapisan dengan menetapkan pekali pemindahan haba dalaman dan kawasan gas-termal luaran.

1.Kaedah pengiraan

1.1Model Pengiraan

Penapis haba terletak di antara gas suhu tinggi dan permukaan substrat keluli bilah, dan terdiri daripada lapisan pemberiikatan logam dan lapisan keramik pemisah haba. Struktur asasnya ditunjukkan dalam Rajah 1. Apabila membina model pengiraan, lapisan pemberiikatan dengan kekonduktiviti haba yang lebih tinggi dalam struktur penapis haba diabaikan, dan hanya lapisan keramik pemisah haba dengan kekonduktiviti haba yang lebih rendah yang dipertahankan.

Rajah 2 menunjukkan model bilah selepas dilapisi dengan pelapis penghalang terma. Bilah itu mengandungi struktur penyejukan putaran multi-saluran, dengan dua lubang pendinginan filem pembuangan pada tepi hadapan, struktur celah tengah pada tepi belakang, dan struktur suluk berbentuk H pada bahagian atas bilah. Pelapis penghalang terma hanya disemprotkan pada badan bilah dan permukaan plat tepi bawah. Oleh kerana suhu di bawah akar bilah rendah dan bukan fokus kajian, untuk mengurangkan bilangan grid pengiraan, bahagian di bawah akar diabaikan apabila menetapkan model pengiraan, dan model domain pengiraan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3 dibina.

1.2Kaedah pengiraan berangka

Jujukan dalaman turbin penyejuk palang adalah relatif kompleks, dan sukar untuk menggunakan grid berstruktur. Penggunaan grid tidak berstruktur meningkatkan secara signifikan kuantiti pengiraan. Dalam hal ini, kertas ini menggunakan jeneretor grid polihedral untuk membahagikan palang dan domain gas. Pembahagian grid, model grid ditunjukkan dalam Rajah 4.

Dalam model pengiraan, ketebalan pelapisan penghalang haba adalah sangat kecil, kurang daripada 1/10 ketebalan dinding palang. Oleh itu, kertas ini menggunakan jeneretor grid nipis untuk membahagikan pelapisan penghalang haba kepada tiga lapisan grid prisma poligonal. Bilangan lapisan grid nipis telah disahkan sebagai tidak bersandar, dan bilangan lapisan grid nipis hampir tiada kesannya terhadap medan suhu palang.

Domain bendalir menggunaikan model Dua-Lapisan Realizable K-Epsilon dalam model kejutan Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS). Model ini memberi fleksibiliti yang lebih besar untuk pemprosesan grid bagi dinding keseluruhan y+. Ia tidak hanya boleh menangani grid halus (contohnya, jenis nombor Reynolds rendah atau grid y+ rendah) dengan baik, tetapi juga boleh menangani grid sederhana (contohnya, 1＜y+＜30) dengan cara yang paling tepat, yang boleh secara efektif menyeimbangkan kestabilan, kos pengiraan dan kejituan.

1.3Syarat sempadan

Masukan gas ditetapkan sebagai masukan tekanan total stagnasi, masukan udara penyejuk adalah masukan aliran jisim, dan keluarannya ditetapkan sebagai keluaran tekanan statik. Permukaan pelapisan dalam saluran gas ditetapkan sebagai permukaan kawasan cecair-padatan, pelapisan dan permukaan logam bilah ditetapkan sebagai antara muka pepejal, dan kedua-dua belah pihak saluran ditetapkan sebagai tempoh putaran. Gas sejuk dan gas adalah gas ideal, dan kapasiti haba serta kekonduksian termal gas ditetapkan menggunakan formula Sutherland. Syarat sempadan pengiraan yang sepadan adalah: tekanan total masukan arus utama dalam saluran gas adalah 2.5 MPa, taburan suhu masukan dengan gradien suhu radial seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, kadar aliran gas sejuk pada masukan saluran sejuk dalam bilah adalah 45 g/s, suhu keseluruhan adalah 540 ℃, dan tekanan keluaran adalah 0.9 MPa. Bahan bilah adalah gabungan kristal tunggal berpangkalan nikel, dan kekonduksian termal bahan berubah mengikut suhu. Dalam konteks bahan sedia ada, pelapisan halangan haba biasanya menggunakan bahan oksida zirkonium itrium (YSZ) atau oksida zirkonium (ZrO2), yang kekonduksian termalnya berubah sedikit dengan suhu, maka kekonduksian termal ditetapkan kepada 1.03 W/(m·K) dalam pengiraan.

2 Analisis hasil kira-kira

2.1 Suhu permukaan bilah

Rajah 6 dan 7 menunjukkan taburan suhu permukaan bagi bilah tanpa pelapis dan taburan suhu permukaan logam bagi bilah pada ketebalan pelapis yang berbeza masing-masing. Dapat dilihat bahawa apabila ketebalan pelapis terus meningkat, suhu permukaan logam bilah secara bertahap menurun, dan hukum taburan suhu permukaan logam bilah pada ketebalan yang berbeza adalah hampir sama; suhu di tengah permukaan tekanan adalah lebih rendah, dan suhu pada hujung bilah adalah lebih tinggi. Hujung bilah biasanya merupakan bahagian yang paling sukar didinginkan dalam keseluruhan bilah, dan lekukan tulang rusuk pada hujung bilah sukar didinginkan secara langsung oleh udara sejuk. Dalam model kira-kira, pelapis hanya menutupi permukaan badan bilah, dan hujung bilah tidak ditutupi dengan pelapis. Tidak ada kesan penghalang terhadap haba dari pihak gas pada hujung bilah, jadi kawasan suhu tinggi pada hujung bilah sentiasa wujud.

Rajah 8 menunjukkan lengkung perubahan suhu purata permukaan logam bilah mengikut ketebalan. Dapat dilihat bahawa suhu purata permukaan logam bilah menurun dengan peningkatan ketebalan lapisan. Ini adalah kerana kekonduksian terma lapisan penghalang haba rendah, yang meningkatkan rintangan terma di antara gas panas dan bilah logam, secara berkesan mengurangkan suhu permukaan logam bilah. Apabila ketebalan lapisan adalah 0.05 mm, suhu purata badan bilah menurun sebanyak 21 °C, dan kemudian apabila ketebalan lapisan penghalang haba bertambah, suhu permukaan bilah terus menurun; apabila ketebalan lapisan adalah 0.20 mm, suhu purata badan bilah menurun sebanyak 49 °C. Ini pada dasarnya konsisten dengan kesan termal yang diukur oleh Zhang Zhiqiang dan lain-lain melalui ujian kesan sejuk.

Rajah 9 adalah satu lengkung yang menunjukkan perubahan suhu permukaan bahagian bilah sepanjang panjang tali axial. Seperti yang boleh dilihat dari Rajah 9, di bawah ketebalan pelapis penghalang haba yang berbeza, trend perubahan suhu sepanjang panjang tali axial pada dasarnya sama, dan suhu permukaan hisapan jauh lebih tinggi berbanding suhu permukaan tekanan. Dalam arah panjang tali axial, suhu permukaan tekanan dan hisapan terlebih dahulu menurun kemudian meningkat, dan terdapat beberapa kelipatan dalam kawasan hujung belakang, yang disebabkan oleh bentuk struktur penyemutan pendinginan slit-pisah di tengah hujung belakang. Pada masa yang sama, suhu bilah yang dilapisi dengan pelapis penghalang haba turun secara signifikan, dan penurunan suhu pada permukaan hisapan jauh lebih besar berbanding dengan permukaan tekanan. Penurunan suhu beransur-ansur berkurang dari hujung hadapan ke hujung belakang, dan semakin dekat kepada hujung hadapan bilah, semakin besar penurunan suhu.

Kepadan suhu logam bilah mempengaruhi tahap stres terma bilah, jadi kertas ini menggunakan indeks kepadatan suhu untuk mengukur kepadatan suhu bagi bilah pepejal. Indeks kepadatan suhu:

Di mana: c adalah isipadu setiap unit, T- adalah purata isipadu suhu T, Tc adalah nilai suhu dalam unit grid, dan Vc adalah isipadu unit grid. Jika medan suhu isipadu tersebar secara seragam, indeks kepadatan isipadu adalah 1. Dapat dilihat dari Rajah 10, selepas menyemprotkan pelapis penghalang terma, kepadatan suhu bilah telah meningkatkan secara ketara. Apabila ketebalan pelapis adalah 0.2 mm, indeks kepadatan suhu bilah meningkat sebanyak 0.4%.

2.2 Suhu permukaan pelapis

Perubahan suhu permukaan lapisan ditunjukkan dalam Rajah 11. Seperti yang boleh dilihat dari Rajah 11, apabila ketebalan lapisan bertambah, suhu permukaan lapisan penghalang terma terus meningkat, yang mana adalah sebaliknya dengan trend perubahan suhu purata permukaan bilah. Apabila rintangan terma meningkat dalam arah ketebalan lapisan, beza suhu antara permukaan lapisan dan permukaan bilah secara beransur-ansur meningkat, dan haba terkumpul di atas permukaan menjadi lebih sukar untuk tersebar kepada bilah logam. Apabila ketebalan lapisan adalah 0.20 mm, beza suhu di antara bahagian dalam dan luar lapisan mencapai 86 °C.

2.3 Suhu keratan rentas bilah

Rajah 12 menunjukkan taburan suhu pada tepi hadapan dan belakang bilah dengan dan tanpa penapis haba. Selepas permukaan dilapisi dengan penapis haba, suhu keratan rentas bilah berkurang secara ketara, dan kecerunan suhu dikurangkan. Ini adalah kerana setelah penapis haba diterapkan, ketumpatan aliran haba dalam penapis berkurang. Pada masa yang sama, kerana bahan penapis haba mempunyai kekonduksian haba yang rendah, perubahan suhu di dalam pepejal penapis haba sangat teruk.

Hubungi Kami

Terima kasih atas minat anda terhadap syarikat kami! Sebagai syarikat pembuatan bahagian gas turbin profesional, kami akan terus berdedikasi kepada inovasi teknologi dan peningkatan perkhidmatan untuk memberikan lebih banyak penyelesaian berkualiti tinggi kepada pelanggan di seluruh dunia. Jika anda mempunyai sebarang soalan, cadangan atau niat kerjasama, kami sangat gembira untuk membantu anda. Sila hubungi kami melalui cara-cara berikut:

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