Badanie mechanizmu wpływu oszczędzającego ciepło na efekt chłodzenia łopatek turbinowego pewnego rodzaju gazu

Aby uzyskać efekt izolacji termicznej i prawo rozkładu temperatury warstwy barierowej na łopatkach turbinowych, jako podstawowy model użyto określonego rodzaju wirnikowej łopatki turbiny wysokociśnieniowej z wewnętrzną strukturą chłodzenia. Efekt chłodzenia wirnikowej łopatki turbiny wysokociśnieniowej z lub bez ochrony warstwą barierową został numerycznie obliczony metodą sprzężenia gazowo-cieplnego, a wpływ warstwy barierowej na przekazywanie ciepła przez łopatkę badano poprzez zmianę grubości warstwy barierowej. Badania wykazały, że po pokryciu warstwą barierową temperatura łopatki spadła znacząco, im bliżej krawędzi natarcia, tym większy był spadek temperatury, a spadek temperatury po stronie ciśnienia był większy niż po stronie ssania; warstwa barierowa o grubości 0,05-0,2 mm może obniżyć średnią temperaturę powierzchni metalowej łopatki o 21-49 °C; w miarę zwiększania grubości warstwy, rozkład temperatury wewnątrz metalowej łopatki staje się bardziej jednolity.

W procesie rozwoju turbin gazowych, w celu poprawy mocy i wydajności termicznej silnika, temperatura wejściowa do turbiny również rośnie. Łopatki turbin są narażone na oddziaływanie wysokotemperaturowego gazu. Gdy temperatura wejściowa do turbiny kontynuuje wzrost, chłodzenie powietrzem samo w sobie nie może już spełniać wymagań. Termobariery, jako skuteczny sposób na poprawę odporności materiałów na wysokie temperatury oraz ich oporność na korozyję, coraz częściej znajdują zastosowanie.

Warstwy izolacyjne termiczne są ogólne przyczepiane do powierzchni łopatek za pomocą spalania plazmowego lub depozycji promieniem elektronowym. Posiadają one właściwości wysokiego punktu topnienia i odporności na szok termiczny, co może poprawić zdolność łopatek turbiny do oporu tlenowi i korozyji termicznej, obniżyć temperaturę łopatek oraz przedłużyć ich żywotność. Alizadeh i inni badali efekt izolacji termicznej 0,2 mm warstw izolacyjnych termicznych za pomocą numerycznego symulowania sprzężenia gazu-ciepła. Wyniki pokazały, że maksymalna temperatura łopatki zmniejszyła się o 19 K, a średnia temperatura zmniejszyła się o 34 K. Prapamonthon i inni badali wpływ intensywności turbulencji na wydajność chłodzenia łopatek z warstwami izolacyjnymi termicznymi. Wyniki pokazały, że warstwy izolacyjne mogą zwiększyć ogólną wydajność chłodzenia powierzchni łopatki o 16% do 20% oraz o 8% na końcówce łopatki. Zhu Jian i inni opracowali jednowymiarowy model stacjonarny dla łopatek z warstwami z perspektywy termodynamicznej, a następnie teoretycznie analizowali i obliczali efekt izolacji termicznej warstw izolacyjnych termicznych. Shi Li i inni przeprowadzili numeryczną analizę C3X z warstwami izolacyjnymi termicznymi. Warstwa ceramiczna o grubości 0,3 mm może obniżyć temperaturę powierzchni łopatki o 72,6 K i zwiększyć ogólną wydajność chłodzenia o 6,5%. Warstwa izolacyjna termiczna nie ma wpływu na rozkład wydajności chłodzenia powierzchni łopatki. Zhou Hongru i inni przeprowadzili numeryczną analizę wiodącej krawędzi łopatek turbinowych z warstwami izolacyjnymi termicznymi. Wyniki pokazały, że warstwy izolacyjne mogą nie tylko obniżyć temperaturę pracy metalowych łopatek i gradient temperatury wewnątrz łopatek, ale także w pewnym stopniu opierać się szokowi termicznemu od punktów wejściowych gorących. Yang Xiaoguang i inni obliczyli dwuwymiarowe rozkłady pola temperatury i naprężeń przewodników z warstwami izolacyjnymi termicznymi, podając współczynniki wymiany ciepła zewnętrznych i wewnętrznych powierzchni łopatek. Wang Liping i inni przeprowadzili trójwymiarową analizę sprzężenia gazowo-termicznego przewodników turbinowych o strukturze chłodzenia złożonej i badali wpływ grubości warstwy i promieniowania gazu na pole temperatury warstwy. Liu Jianhua i inni analizowali efekt izolacji termicznej warstw izolacyjnych termicznych dla łopatek chłodzenia Mark II z wielowarstwowymi warstwami izolacyjnymi termicznymi, ustawiając wewnętrznie współczynnik wymiany ciepła i zewnętrzną sprzężenie gazowo-termiczne.

Metoda obliczeniowa

Model obliczeniowy

Warstwa izolacyjna termiczna znajduje się między gazem o wysokiej temperaturze a powierzchnią podłoża ze stopu łopatek, składa się z warstwy metalowej łączącej i izolacyjnej warstwy ceramicznej. Jej podstawowa struktura jest przedstawiona na Rysunku 1. Podczas konstruowania modelu obliczeniowego ignoruje się warstwę łączącą o wyższej przewodności cieplnej w strukturze barier termicznych, zachowując wyłącznie warstwę ceramiczną o niskiej przewodności cieplnej.

Rysunek 2 przedstawia model łopatki po jej pokryciu warstwą oszczędzającą ciepło. Łopatka zawiera wielokanałową strukturę chłodzenia obrotowego, z dwoma otworami chłodzenia filmowego na prowadzącym brzegu, strukturą szpalty na tylnym brzegu oraz kształtem H-widocznym na szczycie łopatki. Warstwa oszczędzająca ciepło została naniesiona tylko na ciało łopatki i powierzchnię dolnej płyty krawędziowej. Ponieważ temperatura poniżej korzenia łopatki jest niska i nie jest to obszar badawczy, aby zmniejszyć liczbę siatek obliczeniowych, część poniżej korzenia została zignorowana podczas tworzenia modelu obliczeniowego, a zbudowano model dziedziny obliczeniowej przedstawiony na rysunku 3.

1.2Metoda obliczeń numerycznych

Geometria wewnętrzna wirnika chłodzącego łopatki jest względnie złożona, a użycie strukturalnych siatek obliczeniowych jest trudne. Użycie niestrukturalnych siatek znacząco zwiększa ilość obliczeń. W tym aspekcie, artykuł wykorzystuje generator siatki wielościennej do podziału łopatki i domeny gazu. Podział siatki, model siatki przedstawiony jest na Rysunku 4.

W modelu obliczeniowym, grubość warstwy izolacyjnej termicznej jest ekstremalnie mała, mniejsza niż 1/10 grubości ścianki łopatki. Dlatego artykuł używa generatora cienkiej siatki do podziału warstwy izolacyjnej na trzy warstwy wielokątnych siatek pryzmatycznych. Liczba warstw cienkiej siatki została zweryfikowana jako niezależna, a liczba warstw cienkiej siatki ma prawie żaden wpływ na pole temperatury łopatki.

Dziedzina płynu przyjmuje model Realizable K-Epsilon Two-Layer w ramach modelu turbulencji Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS). Ten model oferuje większą elastyczność podczas przetwarzania siatki dla całej ściany y+. Może on nie tylko dobrze obsługiwać subtelne siatki (tj., typ niskiego liczby Reynoldsa lub siatki o niskiej wartości y+), ale także najlepiej radzi sobie z siatkami pośrednimi (tj., 1＜y+＜30), co efektywnie balansuje stabilność, koszt obliczeniowy i dokładność.

1.3Warunki brzegowe

Wejście gazowe jest ustawione jako wejście stagnacyjne z ciśnieniem całkowitym, wejście powietrza chłodzącego jest wejściem opartym na przepływie masy, a wyjście jest ustawione jako wyjście o ciśnieniu statycznym. Powierzchnia pokrycia w kanale gazowym jest ustawiona jako powierzchnia sprzężenia ciecz-stosunek, pokrycie i powierzchnia metalowa łopatki są ustawione jako interfejs stały, a obydwie strony kanału są ustawione jako okres obrotowy. Oba gazy - zimny gaz oraz zwykły gaz - są gazami idealnymi, a pojemność cieplna i przewodność termiczna gazu są ustawiane za pomocą wzoru Sutherlanda. Odpowiednie warunki brzegowe obliczeń to: ciśnienie całkowite główne wejście do kanału gazowego wynosi 2,5 MPa, rozkład temperatury wejściowej z gradientem temperatury promieniowej jest przedstawiony na rysunku 5, przepływ zimnego gazu na wejściu do kanału chłodzenia w łopatce wynosi 45 g/s, temperatura całkowita wynosi 540 °C, a ciśnienie wyjściowe wynosi 0,9 MPa. Materiałem łopatki jest stop niklowy jednokrystaliczny wysokotemperaturowy, a przewodność cieplna materiału zmienia się wraz z temperaturą. W przypadku dostępnych materiałów, barier termicznych stosuje się ogromnie stabilne tlenki zirconu z yttriem (YSZ) lub tlenek zirconu (ZrO2), których przewodność cieplna ma niewielkie zmiany wraz z temperaturą, dlatego w obliczeniach przewodność cieplna została ustawiona na 1,03 W/(m·K).

2 Analiza wyników obliczeń

2.1 Temperatura powierzchni łopaty

Rysunki 6 i 7 przedstawiają odpowiednio rozkład temperatury powierzchni ostrza niezawierającego pokrywy oraz rozkład temperatury powierzchni metalowej ostrza przy różnych grubościach pokrywy. Widoczne jest, że w miarę dalszego zwiększania grubości pokrywy temperatura powierzchni metalowej ostrza stopniowo maleje, a prawo rozkładu temperatury powierzchni metalowej ostrza przy różnych grubościach jest podstawowo takie samo: temperatura w środku powierzchni naciskowej jest niższa, zaś temperatura na szczycie ostrza wyższa. Szczyt ostrza jest zwykle najtrudniejszą częścią całego ostrza do ochłodzenia, a żeżby na szczycie ostrza są trudne do bezpośredniego ochładzania przez zimne powietrze. W modelu obliczeniowym pokrywa obejmuje tylko powierzchnię ciała ostrza, a szczyt ostrza nie jest pokryty warstwą. Nie ma więc efektu bariery dla ciepła pochodzącego ze strony gazowej szczytu ostrza, dlatego obszar wysokiej temperatury na szczycie ostrza zawsze istnieje.

Rysunek 8 przedstawia krzywą średniej temperatury powierzchni metalowej łopatki zmieniającej się w zależności od grubości. Widoczne jest, że średnia temperatura powierzchni metalowej łopatki maleje wraz ze wzrostem grubości warstwy pokrycia. Jest to spowodowane niską przewodnictwo cieplnym warstwy barierowej, która zwiększa opór cieplny między gazem o wysokiej temperaturze a łopatką metalową, skutecznie obniżając temperature powierzchni metalowej łopatki. Gdy grubość warstwy wynosi 0,05 mm, średnia temperatura ciała łopatki maleje o 21 °C, a następnie w miarę zwiększania grubości warstwy barierowej temperatura powierzchni łopatki kontynuuje spadek; gdy grubość warstwy wynosi 0,20 mm, średnia temperatura ciała łopatki maleje o 49 °C. To jest zasadniczo zgodne z efektem izolacji termicznej zmierzonej przez Zhang Zhiqiang i innych za pomocą testu efektu chłodzenia.

Rysunek 9 przedstawia krzywą pokazującą zmianę temperatury powierzchniowej przekroju łopatki wzdłuż długości cięciwy osiowej. Jak wynika z rysunku 9, przy różnych grubościach warstw termicznych osłon, trend zmiany temperatury wzdłuż długości cięciwy osiowej jest podobny, a temperatura powierzchni ssącej jest znacznie wyższa niż temperatura powierzchni naciskowej. W kierunku długości cięciwy osiowej temperatura powierzchni naciskowej i ssącej najpierw maleje, a następnie rośnie, a w obszarze krawędzi tylniej występują pewne wahania, które są spowodowane konstrukcją rozdzielonej szczeliny chłodzenia sprężonym przez środek krawędzi tylniej. Jednocześnie temperatura łopatki pokrytej warstwą termiczną osłony spada znacząco, a spadek temperatury na powierzchni ssącej jest znacznie większy niż na powierzchni naciskowej. Spadek temperatury stopniowo maleje od krawędzi prowadzącej do krawędzi końcowej, a im bliżej krawędzi prowadzącej łopatki, tym większy spadek temperatury.

Jednolitość temperatury metalu ostrza wpływa na poziom termicznego stresu ostrza, dlatego w tym artykule użyto indeksu jednolitości temperatury do pomiaru jednolitości temperatury bryły ostrza. Indeks jednolitości temperatury:

Gdzie: c to objętość każdego elementu, T- to średnia objętościowa temperatura T, Tc to wartość temperatury w elemencie siatki, a Vc to objętość elementu siatki. Jeśli pole temperatury objętościowej jest jednostajnie rozłożone, indeks jednolitości objętościowej wynosi 1. Jak można zauważyć na rysunku 10, po naniesieniu warstwy barier termicznych jednolitość temperatury ostrza uległa istotnemu poprawieniu. Gdy grubość warstwy wynosi 0,2 mm, indeks jednolitości temperatury ostrza zwiększa się o 0,4%.

2.2 Temperatura powierzchni pokrycia

Zmiana temperatury powierzchni pokrywy jest przedstawiona na rysunku 11. Jak wynika z rysunku 11, w miarę zwiększania grubości pokrywy, temperatura powierzchni izolacji cieplnej kontynuuje wzrost, co jest dokładnie przeciwnym trendem do średniej zmiany temperatury powierzchni ostrza. Wraz ze wzrostem oporu cieplnego w kierunku grubości pokrywy, różnica temperatur między powierzchnią pokrywy a powierzchnią ostrza stopniowo rośnie, a skupione ciepło na powierzchni trudniej się dyfuzyjnie przenosi na metalowe ostrze. Gdy grubość pokrywy wynosi 0,20 mm, różnica temperatur między wnętrzem a zewnątrzem pokrywy dochodzi do 86 °C.

2.3 Temperatura przekroju poprzecznego ostrza

Rysunek 12 przedstawia rozkład temperatury na wiodących i zaciągających krawędziach łopatek z i bez warstw izolacyjnych. Po nakładzie powłoki termicznej na powierzchnię, temperatura przekroju poprzecznego łopatki jest istotnie zmniejszona, a gradient temperatury jest złagodzony. Jest to spowodowane tym, że po zastosowaniu warstwy izolacyjnej gęstość strumienia ciepła w warstwie jest zmniejszona. W międzyczasie, ponieważ materiał warstwy izolacyjnej ma niski współczynnik przewodnictwa cieplnego, zmiany temperatury wewnątrz stałej warstwy izolacyjnej są bardzo drastyczne.

Skontaktuj się z nami

Dziękujemy za zainteresowanie naszą firmą! Jako profesjonalny producent części turbin gazowych będziemy dalej angażować się w innowacje technologiczne i poprawę usług, aby oferować jeszcze więcej wysokiej jakości rozwiązań dla klientów na całym świecie. Jeśli masz jakiekolwiek pytania, sugestie lub zamiary współpracy, z przyjemnością Ci pomожemy. Skontaktuj się z nami w następujący sposób:

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