Studie av påvirkningsmekanismen for varmebarrieredyrkning på kjøleffekten av turbinblader i en bestemt type gass turbine

For å oppnå effekten av varmeisolering og temperaturfordelingsloven for varmevernsbelag på turbineblader, ble en bestemt type gass turbine med høytrykksvarmeturbinebevegelige blader med intern kjøling brukt som grunnmodell. Kjøleffekten av høytrykksvarmeturbinebevegelige blader med eller uten varmevernsbelagsskyting ble numerisk beregnet ved hjelp av gas-varme koppuleringsmetode, og innvirkningen av varmevernsbelag på bladvarmetransfer ble studert ved å endre tykkelsen på varmevernsbelaget. Studien fant at etter å ha tatt i bruk varmevernsbelag, sank temperaturen på bladet betydelig, jo nærmere lederkanter, desto større temperatursenkning, og temperatursenkningen på trykk siden var større enn på sug siden; et varmevernsbelag med tykkelse på 0,05-0,2 mm kan redusere gjennomsnittstemperaturen på metallflaten til bladet med 21-49 ℃; når belagtets tykkelse øker, blir temperaturfordelingen inne i metallbladet mer jevn.

I utviklingen av gasturbiner, for å forbedre motorens kraft og varmeeffektivitet, økes også inngangstemperaturen til turbinen. Turbinbladene blir utsatt for påvirkning fra høytemperert gass. Når inngangstemperaturen til turbinen fortsetter å stige, kan alene luftkjøling ikke lenger oppfylle kravene. Termiske barriereoverflater, som et effektivt middel for å forbedre høytemperaturopphold og korrosjonsmotstand hos materialer, har blitt brukt i stadig større grad.

Termiske barriereoverlegg er vanligvis feste til bladoverflaten ved plasmaflamme喷spray eller elektronstråledeponering. De har egenskapene høy smeltpunkt og motstand mot termisk sjokk, som kan forbedre turbinbladenes evne til å motstå oksidasjon og termisk korrosjon, redusere bladtemperatur og forlenge bladenes tjenesteliv. Alizadeh et al. studerte den termiske isoleringsvirkdiringen av 0,2 mm termiske barriereoverlegg ved gass-varmekopplinket numerisk simulering. Resultatene viste at maksimalbladtemperaturen ble redusert med 19 K og gjennomsnittstemperaturen ble redusert med 34 K. Prapamonthon et al. studerte effekten av turbulent intensitet på kjølevirksomheten til termiske barriereoverlegg-blader. Resultatene viste at termiske barriereoverlegg kan øke den generelle kjølevirkemassen av bladoverflaten med 16% til 20% og 8% ved bladets etterkant. Zhu Jian et al. opprettet en eindimensjonal stasjonær modell for overførte blader fra et termodynamisk perspektiv og analyserte teoretisk og beregnet termisk isoleringsvirksomheten til termiske barriereoverlegg. Shi Li et al. utførte en numerisk studie av C3X med termiske barriereoverlegg. En 0,3 mm keramisk lag kan redusere bladoverflatestemperaturen med 72,6 K og øke den generelle kjølevirkemassen med 6,5%. Termiske barriereoverlegg har ingen effekt på fordelingen av kjølevirkemassen på bladoverflaten. Zhou Hongru et al. utførte en numerisk studie av turbinbladets forankret ende med termiske barriereoverlegg. Resultatene viste at termiske barriereoverlegg ikke bare kan redusere driftstemperaturen til metallblader og temperaturgradienten innen i bladene, men også motstå termisk sjokk fra inngangshete pletter i visning. Yang Xiaoguang et al. beregnede to-dimensjonal temperaturfeltfordeling og strekk for veiledningsvinger med termiske barriereoverlegg ved å gi varmetransferkoeffisientene for de indre og ytre overflatene av bladene. Wang Liping et al. utførte en tre-dimensjonal gass-termisk kopplinganalyse på turbinveiledningsvinger med sammensatte kjølstrukture og studerte effekten av overleggets tykkelse og gassstråling på overleggets temperaturfelt. Liu Jianhua et al. analyserte termisk isoleringsvirksomheten til termiske barriereoverlegg for Mark II kjølblader med flerslags termiske barriereoverlegg ved å sette varmetransferkoeffisienten internt og ekstern gass-termisk koppling.

1.Beregningsmetode

1.1Regnemodell

Det termiske barriereoverdekket ligger mellom den høytemperaturte gassen og overflaten av bladlegemet substratet, og består av en metallbindingsslag og et termisk isolerende keramisk lag. Dets grunnstruktur vises i figur 1. Når beregningsmodellen bygges opp, ignoreres bindingsslaget med høyere varmeledning i strukturen på det termiske barriereoverdekket, og bare det termisk isolerende keramikklaget med lavere varmeledning beholdes.

Figur 2 viser bladmodellen etter å ha blitt dekket med varmebarrieredekking. Bladet inneholder en fler-kanal rotary kjølestruktur, med to utslippsfilmkjølingapeshull på forspisselen, en midterste spaltestruktur på bakspisselen og en H-formet grovestruktur på bladets topp. Varmebarrieredekningen blir bare sprayet på bladkroppen og nederste kantflate. Ettersom temperaturen under bladrøttet er lav og ikke er fokus for forskning, for å redusere antall beregningsgitter, ignoreres delen under røtta ved innstilling av beregningsmodellen, og den beregningsdomene-modell som vist i figur 3 bygges opp.

1.2Numerisk beregningsmetode

Den interne geometrien av kjølevinga i turbinen er relativt kompleks, og det er vanskelig å bruke strukturerte nett. Bruken av ustrukturerte nett øker beregningsmengden betydelig. I denne henseenden bruker denne artikkelen en polyedrisk nettgeneratør for å oppdele bladet og gassdomenet. Nettdelegning, nettmodellen vises i figur 4.

I beregningsmodellen er tykkelsen på varmebarrierelaget ekstremt liten, mindre enn 1/10 av bladveggenes tykkelse. Derfor bruker denne artikkelen en tynn nettgeneratør for å dele opp varmebarrierelaget i tre lag av polygonale prisme nett. Antall tynne nettlag har blitt verifisert som uavhengig, og antall tynne nettlag har nesten ingen innvirkning på bladets temperaturfelt.

Strømingsdomenet bruker Realizable K-Epsilon Two-Layer-modellen i Reynolds-averaged Navier-Stokes-ligningene (RANS) turbulensmodell. Denne modellen gir større fleksibilitet for gitterbehandling av hele y+ -veggen. Den kan ikke bare håndtere fine gitter (dvs., lav Reynolds-tallstype eller lave y+ -gitter) godt, men også mellemstore gitter (dvs., 1＜y+＜30) på den mest nøyaktige måten, noe som effektivt kan balansere stabilitet, beregningskostnad og nøyaktighet.

1.3Grensebetingelser

Gassinngangen er satt som en totaltrykk stagnasjonsinnføring, kjølingleilinngangen er en massestrømsinnføring, og utgangen er satt som en statisk trykkutgang. Overflaten til dekket i gasskanalen er satt som en fluid-solid koblingsflate, dekket og bladets metallflate er satt som en fast grensesnitt, og kanalens to sider er satt som en rotasjon periode. Begge den kalde gassen og gassen er ideelle gasser, og gassens varmekapasitet og termisk ledningstall er satt ved å bruke Sutherlands formel. De tilsvarende beregningsgrensebetingelsene er: totaltrykk på hovedstrøminngangen i gasskanalen er 2,5 MPa, inngangstemperaturefordelingen med radial temperaturgradient vises i figur 5, kaldegassinngangsmassestrømmen i bladets kjølikanal er 45 g/s, totaltemperatur er 540 ℃, og utgangstrykket er 0,9 MPa. Bladets materiale er et nikkelbasert enkeltkristall høytemperaturspore, og materiallets termiske ledningsevne endrer seg med temperatur. Med tanke på eksisterende materialer, bruker termiske barrierekoveringer generelt stabile yttria zirkonia (YSZ) materialer eller zirkonia (ZrO2), hvis termiske ledningsevne endrer seg lite med temperatur, så termisk ledningsevne er satt til 1,03 W/(m·K) i beregningen.

2 Analyse av beregningsresultater

2.1 Bladoverflatestemperatur

Figur 6 og 7 viser overflatedistribusjonen av temperatur for den ubeskattede bladen og metall-overflatedistribusjonen av bladen ved ulike skikkelser av deknings tykkelse, henholdsvis. Det kan ses at når deknings tykkelsen fortsetter å øke, så synker metall-overflatedemperaturen på bladen gradvis, og temperaturens distribusjonslov for metall-overflaten på bladen ved ulike tykkelser er omtrent lik; temperaturen midt på trykkoverflaten er lavere, mens temperaturen på bladspissen er høyere. Bladspissen er vanligvis den vanskeligste delen av hele bladen å kjøle, og ribbene på bladspissen er vanskelig å kjøle direkte med kalte luft. I beregningsmodellen dekker dekningen bare bladkroppens overflate, og bladspissen er ikke dekket av coating. Det finnes ingen barriereeffekt mot varmen fra gassiden av bladspissen, så den høytemperaturzonen ved bladspissen eksisterer alltid.

Figur 8 viser kurven for den gjennomsnittlige temperaturen på bladets metallflate som endrer seg med tykkelsen. Det kan ses at den gjennomsnittlige temperaturen på bladets metallflate synker når coating-typkelsen øker. Dette skyldes at varmeledningsevnen til termisk barrierecoating er lav, noe som øker varmekonduksjonen mellom høytemperert gass og metallbladet, og reduserer effektivt temperaturen på metallflaten av bladet. Når coating-tykkelsen er 0,05 mm, synker den gjennomsnittlige temperaturen på bladkroppen med 21 °C, og deretter, når termisk barrierecoating-tykkelsen øker, fortsetter temperaturen på bladoverflaten å synke; når coating-tykkelsen er 0,20 mm, synker den gjennomsnittlige temperaturen på bladkroppen med 49 °C. Dette er i stor grad konsekvent med den termiske isoleringseffekten målt av Zhang Zhiqiang et al. gjennom kaldeffekt-testen.

Figur 9 er en kurve som viser endringen i overflatedypnen på bladet langs aksetstrekkets lengde. Som kan ses fra figur 9, under ulike tykkelse av varmebarrieredyringslag, er temperaturendringsrendensen langs aksetstrekket omtrent den samme, og temperaturen på sugningsflaten er betydelig høyere enn temperaturen på trykkflaten. I retningen av aksetstrekket, synker temperaturen på både trykkflate og sugningsflate først og øker deretter, og det finnes en viss fluktuasjon i etterkantområdet, som er forårsaket av strukturen til delt-sprøytekjøling i midten av etterkanten. Samtidig synker temperaturen på bladet med varmebarieredyringslag betydelig, og temperaturens nedgang på sugningsflaten er betydelig større enn på trykkflaten. Temperaturendringen gradvis mindre fra forankommet til etterkanten, og jo nærmere forankomsten på bladet, desto større er temperaturendringen.

Enhetligheten i bladmetalltemperaturen påvirker termisk spenning på bladet, så denne artikkelen bruker en temperaturhomogenitetsindeks for å måle temperaturenns enhetlighet på faste blader. Temperaturhomogenitetsindeks:

Hvor: c er volumet av hver enhet, T- er volumgjennomsnittet av temperaturen T, Tc er temperaturverdien i rutenhet, og Vc er volumet av rutenheten. Hvis volumtemperatursfeltet er jevnt fordelt, er volumhomogenitetsindeksen 1. Som kan ses fra figur 10, forbedres temperaturenns enhetlighet på bladet betydelig etter å ha spredd termisk barrierebehandling. Når behandlingstypken er 0.2 mm, økes temperaturenns homogenitetsindeks på bladet med 0.4%.

2.2 Overflatestemperatur for behandlingen

Temperaturskiftet på overflaten av dekket er vist i figur 11. Som kan ses fra figur 11, øker overflatedemperaturen av varmebarrieredekket jevnt med økningen i dekketykkelsen, noe som er akkurat motsatt av gjennomsnittlige temperaturendringsmønstrene for bladets overflate. Når termisk motstand øker i dekkedyretning, øker temperaturengraden mellom dekkets overflate og bladets overflate gradvis, og det blir vanskeligere for den opphopede varmen på overflaten å spredes til metallbladet. Når dekketykkelsen er 0.20 mm, når temperaturengraden mellom innsiden og ytsiden av dekket 86 °C.

2.3 Bladets korsnivåtemperatur

Figur 12 viser temperaturfordelingen av for- og bakkanter av blader med og uten termiske barriereoverflater. Etter at overflaten er dekket med termiske barriereoverflater, reduseres krysssekshets temperaturen av bladet betydelig, og temperaturgradienten blir lettet. Dette skyldes at etter at den termiske barriereoverflaten er anvendt, reduseres varmestrømsføden i overflaten. Samtidig, da materialet i termiske barriereoverflater har lav varmeledningsevne, er temperaturendringene inne i den faste termiske barriereoverflaten veldig dramatisk.

Kontakt oss

Takk for ditt interesse i vår bedrift! Som en profesjonell produsent av gasturbinedelar vil vi fortsette å legge vekt på teknologisk innovasjon og serviceforbedring for å tilby flere høykvalitetsløsninger til kunder over hele verden. Hvis du har noen spørsmål, forslag eller samarbeidsintensjoner, vil vi gjerne hjelpe deg. Vennligst kontakt oss på følgende måter:

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