Studie naar de invloedmechanismen van thermische barrièrbestrijking op het koel effect van turbinebladen van een bepaald type gasturbine

Om het thermisch isolerende effect en de temperatuurverdelingswet van een warmteschermcoating op turbinebladen te verkrijgen, werd een bepaald type gas turbine met een hoge-druk-turbinebeweegbaar blad met interne koelstructuur gebruikt als basismodel. De koelingseffecten van het hoge-druk-turbinebeweegbare blad, met of zonder bescherming door een warmteschermcoating, werden numeriek berekend met behulp van de gas-hitte-couplingmethode, en het effect van de warmteschermcoating op de hitteoverdracht van het blad werd bestudeerd door de dikte van de warmteschermcoating te veranderen. Het onderzoek vond dat na het aanbrengen van de warmteschermcoating de temperatuur van het blad aanzienlijk daalde; hoe dichter bij de voorste rand, des te groter de temperatuurdaling, en de temperatuurdaling aan de drukzijde was groter dan aan de zuigzijde; een warmteschermcoating met een dikte van 0,05-0,2 mm kan de gemiddelde temperatuur van het metaaloppervlak van het blad met 21-49 ℃ verlagen; naarmate de coatingdikte toeneemt, wordt de temperatuurverdeling binnenin het metalen blad gelijkmatiger.

Bij de ontwikkeling van gasturbines, om de kracht en thermische efficiëntie van de motor te verbeteren, neemt ook de inlaattemperatuur van de turbine toe. De turbinebladen worden blootgesteld aan de invloed van hoge temperatuurgas. Wanneer de inlaattemperatuur van de turbine blijft stijgen, kan alleen luchtkoeling niet langer voldoen aan de eisen. Thermische barrièrbestrijkingen, als een effectief middel om de hoogtemperatuurweerstand en corrosiebestendigheid van materialen te verbeteren, worden steeds vaker gebruikt.

Thermische barrièrbestrijkingen worden doorgaans aan de bladoppervlakte vastgemaakt door plasmavlamspuiten of elektronenstraaldeposition. Ze hebben de kenmerken van een hoge smeltpunt en weerstand tegen thermische schokken, wat de vermogen van turbinebladen kan verbeteren om oxidatie en thermische corrosie te weerstaan, de blaadtijd verlagen en de dienstleven van bladen verlengen. Alizadeh et al. onderzochten het thermische isolatiefunctie van 0,2 mm thermische barrièrbestrijkingen door gas-hitte gekoppelde numerieke simulatie. De resultaten wezen uit dat de maximale temperatuur van het blad met 19 K werd verlaagd en de gemiddelde temperatuur met 34 K. Prapamonthon et al. onderzochten het effect van turbulentiesterkte op de koelingsefficiëntie van thermische barrièrbestrijkte bladen. De resultaten toonden aan dat thermische barrièrbestrijkingen de totale koelingsefficiëntie van het bladoppervlak kunnen verhogen met 16% tot 20% en met 8% aan de achterkant van het blad. Zhu Jian et al. stelden een een-dimensionaal stationair model op voor bestreken bladen vanuit een thermodynamisch perspectief en analyseerden en berekenden theoretisch de thermische isolatieeffecten van thermische barrièrbestrijkingen. Shi Li et al. voerden een numerieke studie uit op C3X met thermische barrièrbestrijkingen. Een 0,3 mm keramisch laag kan de bladoppervlaktetemperatuur met 72,6 K verlagen en de totale koelingsefficiëntie met 6,5% verhogen. De thermische barrièrbestrijking heeft geen invloed op de distributie van de koelingsefficiëntie van het bladoppervlak. Zhou Hongru et al. voerden een numerieke studie uit op de voorste rand van turbinebladen met thermische barrièrbestrijkingen. De resultaten wezen uit dat thermische barrièrbestrijkingen niet alleen de bedrijfstemperatuur van metaalbladen en de temperatuursgradiënt binnen de bladen kunnen verlagen, maar ook de thermische schok van inkomende warmtepuntjes tot op zekere hoogte kunnen weerstaan. Yang Xiaoguang et al. berekenden de tweedimensionale temperatuurverdeling en spanning van leidvinnen met thermische barrièrbestrijkingen door de warmteoverdrachtscoëfficiënten van de binnen- en buitenkanten van de bladen te geven. Wang Liping et al. voerden een driedimensionale gas-thermische gekoppelde analyse uit op turbineleidvinnen met compositekoelsystemen en bestudeerden de effecten van coatingdikte en gasstraling op het coatingtemperatuurprofiel. Liu Jianhua et al. analyseerden de thermische isolatieeffecten van thermische barrièrbestrijkingen voor Mark II koelbladen met meerdere lagen thermische barrièrbestrijkingen door intern de warmteoverdrachtscoëfficiënt in te stellen en extern gas-thermische gekoppelde simulaties uit te voeren.

1.Berekeningsmethode

1.1Berekeningsmodel

De thermische barrièrbekleiding bevindt zich tussen de hoge-temperatuur gas en het oppervlak van de bladlegersubstraat, en bestaat uit een metalen bindingslaag en een thermisch isolerende keramische laag. De basisstructuur ervan is weergegeven in Figuur 1. Bij het opstellen van het berekeningsmodel wordt de bindingslaag met hogere warmtegeleiding in de structuur van de thermische barrièrbekleiding genegeerd, en wordt alleen de thermisch isolerende keramische laag met lagere warmtegeleiding behouden.

Figuur 2 toont het bladmodel na het aanbrengen van de thermische barrièrbelaging. Het blad bevat een meerkanaals rotatiekoelsysteem, met twee uitlaatfilmkoelinggaten aan de voorste rand, een midden spleetstructuur aan de achterste rand en een H-vormige groefstructuur op de bladtop. De thermische barrièrbelaging wordt alleen gespoten op het bladlichaam en de onderkant van de plaat. Aangezien de temperatuur onder de bladwortel laag is en niet het onderzoeksfocus is, wordt dit deel genegeerd bij het instellen van het berekeningsmodel om het aantal rekenroosters te verminderen, en wordt het berekeningsdomeinmodel zoals weergegeven in Figuur 3 opgebouwd.

1.2Numerieke berekeningsmethode

De interne geometrie van de turbinekoeling van de bladeren is relatief complex, en het is moeilijk om gestructureerde roosters te gebruiken. Het gebruik van ongestructureerde roosters verhoogt aanzienlijk de hoeveelheid berekening. In dit opzicht gebruikt dit artikel een polyhedrische rooster-generator om de blade en gasdomein te verdelen. Roosterindeling, het roostermodel wordt weergegeven in Figuur 4.

In het berekeningsmodel is de dikte van de thermische barrièrlaag extreem klein, minder dan 1/10 van de dikte van de bladwand. Om deze reden gebruikt dit artikel een dunne rooster-generator om de thermische barrièrlaag in drie lagen van polyhedrische prisma-roosters te verdelen. Het aantal lagen van dunne roosters is onafhankelijk gevalideerd, en het aantal lagen van dunne roosters heeft vrijwel geen invloed op het temperatuurvlak van de blade.

Het vloeistofdomein gebruikt het Realizable K-Epsilon Two-Layer model in de Reynolds-gegemiddelde Navier-Stokes-vergelijkingen (RANS) turbulentiemodel. Dit model biedt meer flexibiliteit voor het roosterbewerken van de hele y+ wand. Het kan niet alleen fijne roosters (d.w.z., laag Reynoldsgetaltype of lage y+ roosters) goed verwerken, maar ook tussenliggende roosters (d.w.z., 1＜y+＜30) op de meest nauwkeurige manier, wat effectief stabiliteit, berekeningskosten en nauwkeurigheid kan balanceren.

1.3Randvoorwaarden

De gasinlaat is ingesteld als een totale druk-stagnatie-inlaat, de koelingsluchtinlaat is een massaflow-inlaat en de uitlaat is ingesteld als een statische druk-uitlaat. Het coatingoppervlak in het gaskanaal wordt ingesteld als een vloeistof-voorwerp koppelingsovergang, de coating en het bladmateriaaloppervlak zijn ingesteld als een solide interface, en beide zijden van het kanaal zijn ingesteld als een rotatieperiode. Zowel de koelgas als het gas zijn ideaal gas, en de warmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid van het gas worden ingesteld met behulp van de Sutherland-formule. De overeenkomstige berekeningsrandvoorwaarden zijn: de totale druk van de hoofdstroom-inlaat van het gaskanaal bedraagt 2,5 MPa, de inkomende temperatuurverdeling met radiale temperatuurgradiënt is weergegeven in Figuur 5, de stroom van koelgas in het koelkanaal van de blad is 45 g/s, de totale temperatuur is 540 ℃, en de uitlaatdruk is 0,9 MPa. Het bladmateriaal is een nikkelgebaseerd enkelkristal-hoogtemperatuuralloy, waarvan de thermische geleidbaarheid verandert met de temperatuur. Gezien bestaande materialen gebruiken thermische barrièrematerialen algemeen stabiele yttrië-zirkonia (YSZ) materialen of zirkoonoxide (ZrO2), waarvan de thermische geleidbaarheid weinig verandert met de temperatuur, dus wordt de thermische geleidbaarheid ingesteld op 1,03 W/(m·K) in de berekening.

2 Analyse van berekeningsresultaten

2.1 Bladoppervlaktetemperatuur

Figuren 6 en 7 tonen respectievelijk de oppervlaktetemperatuurverdeling van het onbeklede blad en de metaaloppervlaktetemperatuurverdeling van het blad bij verschillende bekledingsdiktes. Hieruit blijkt dat wanneer de dikte van de bekleding blijft toenemen, de metaaloppervlaktemperatuur van het blad geleidelijk afneemt en dat het temperatuurverspreidingspatroon van de metaaloppervlakte van het blad op verschillende diktes vrijwel gelijk is: de temperatuur in het midden van de drukzijde is lager en de temperatuur aan de bladtop hoger. De bladtop is meestal het moeilijkste deel van het hele blad om te koelen, en de richels aan de bladtop worden moeilijk direct gekoeld door koude lucht. In het berekeningsmodel bedekt de bekleding alleen het oppervlak van het bladlichaam, en de bladtop wordt niet bedekt met bekleding. Er is geen barrière voor de hitte van de gaszijde van de bladtop, dus de hoge temperatuurzone aan de bladtop blijft bestaan.

Figuur 8 toont de kromme van de gemiddelde temperatuur van het bladmetaaloppervlak die verandert met de dikte. Hieruit valt op te maken dat de gemiddelde temperatuur van het bladmetaaloppervlak afneemt naarmate de dikte van de coating toeneemt. Dit komt doordat de warmtegeleiding van de thermische barrièrcoating laag is, wat de thermische weerstand tussen de hoge-temperatuurgas en het metalen blad vergroot, waardoor de temperatuur van het metaalblad effectief wordt verlaagd. Wanneer de coatingdikte 0,05 mm is, neemt de gemiddelde temperatuur van het bladlichaam met 21 °C af, en daarna neemt de temperatuur van het bladoppervlak met toenemende dikte van de thermische barrièrcoating voortdurend af; wanneer de coatingdikte 0,20 mm is, neemt de gemiddelde temperatuur van het bladlichaam met 49 °C af. Dit komt in wezen overeen met het door Zhang Zhiqiang et al. gemeten thermale isolatie-effect via de koelingstest.

Figuur 9 is een curve die de verandering van de oppervlaktetemperatuur van de bladsectie langs de axiale koorde weergeeft. Uit figuur 9 valt op te maken dat onder verschillende diktes van thermische barrièrbestrijkingen, de temperatuurveranderingstrend langs de axiale koorde in principe hetzelfde is, en dat de temperatuur van de zuigzijde significant hoger is dan die van de drukzijde. In de richting van de axiale koorde neemt de temperatuur van de drukzijde en de zuigzijde eerst af en daarna weer toe, met een zekere fluctuatie in het achterkantgebied, wat wordt veroorzaakt door de structuurvorm van de gesplitste spleet-sproeikoeleffect in het midden van de achterkant. Tegelijkertijd daalt de temperatuur van het blad met de thermische barrièrbestrijking aanzienlijk, en is de temperatuurdaling op de zuigzijde significant groter dan op de drukzijde. De temperatuurdaling neemt geleidelijk af vanaf de voorste rand naar de achterste rand, en hoe dichter bij de voorste rand van het blad, des te groter is de temperatuurdaling.

De uniformiteit van de temperatuur van het bladmetaal beïnvloedt het thermische spanningniveau van het blad, dus in dit artikel wordt de temperatuurs-uniformiteitsindex gebruikt om de temperatuur-uniformiteit van het massieve blad te meten. Temperatuurs-uniformiteitsindex:

Waarbij: c het volume van elk eenheid is, T- het volumegemiddelde van de temperatuur T is, Tc de temperatuurwaarde in het rooster-eenheid is, en Vc het volume van het rooster-eenheid is. Als het volumetemperatuurveld gelijkmatig verdeeld is, is de volum-uniformiteitsindex 1. Zoals uit Figuur 10 blijkt, wordt de temperatuur-uniformiteit van het blad aanzienlijk verbeterd na het spuiten van de thermische barrièrbekleding. Wanneer de dikte van de bekleding 0,2 mm is, neemt de temperatuur-uniformiteitsindex van het blad toe met 0,4%.

2.2 Oppervlaktetemperatuur van de bekleding

De temperatuurverandering van het coatingoppervlak wordt weergegeven in Figuur 11. Uit Figuur 11 blijkt dat bij toenemende coatingdikte de oppervlaktetemperatuur van de thermische barrièrbescherming blijft stijgen, precies het tegenovergestelde van de gemiddelde temperatuurveranderingsrichting van het bladoppervlak. Bij toenemende thermische weerstand in de coatingdikterichting neemt het temperatuursverschil tussen het coatingoppervlak en het bladoppervlak geleidelijk toe, waardoor het moeilijker wordt voor het opgehoopte warmte aan de oppervlakte om zich naar het metalen blad te verspreiden. Wanneer de coatingdikte 0,20 mm bedraagt, bereikt het temperatuursverschil tussen binnen- en buitenkant van de coating 86 °C.

2.3 Bladdoorsnede temperatuur

Figuur 12 toont de temperatuurverdeling van de voor- en achterkant van de bladen met en zonder thermische barrièrbestrijking. Nadat het oppervlak is bedekt met een thermische barrièrbestrijking, neemt de doorsnijdetemperatuur van het blad aanzienlijk af en wordt het temperatuurgroot-verschil verlicht. Dit komt doordat na het aanbrengen van de thermische barrièrbestrijking de warmteflux in de coating wordt verminderd. Tegelijkertijd, omdat het materiaal van de thermische barrièrbestrijking een lage warmtegeleiding heeft, zijn de temperatuurwisselingen binnen de vaste thermische barrièrbestrijking zeer extreem.

Neem contact met ons op

Bedankt voor uw interesse in onze onderneming! Als een professionele fabrikant van gas turbineonderdelen zullen we voortdurend inzetten op technologische innovatie en serviceverbetering om wereldwijde klanten betere kwaliteitsoplossingen te bieden. Indien u vragen, suggesties of samenwerkingsoverwegingen heeft, staan we graag klaar om u te helpen. Neem contact met ons op via de volgende manieren:

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