Estudo sobre o mecanismo de influência da cobertura térmica na eficiência de resfriamento das pás de turbinas de um certo tipo de turbina a gás

Para obter o efeito de isolamento térmico e a lei de distribuição de temperatura do revestimento térmico nas lâminas do turbina, utilizou-se um tipo específico de turbina a gás com lâmina móvel de turbina de alta pressão com estrutura de resfriamento interno como modelo básico. O efeito de resfriamento da lâmina móvel da turbina de alta pressão com ou sem proteção por revestimento térmico foi calculado numericamente pelo método de acoplamento gas-térmico, e a influência do revestimento térmico na transferência de calor da lâmina foi estudada alterando a espessura do revestimento térmico. O estudo descobriu que após a aplicação do revestimento térmico, a temperatura da lâmina diminuiu significativamente, quanto mais próximo da borda de ataque, maior é a redução de temperatura, e a redução de temperatura no lado de pressão é maior do que no lado de sucção; o revestimento térmico com espessura de 0,05-0,2 mm pode reduzir a temperatura média da superfície metálica da lâmina em 21-49 ℃; à medida que a espessura do revestimento aumenta, a distribuição de temperatura no interior do metal da lâmina se tornará mais uniforme.

No desenvolvimento de turbinas a gás, para melhorar a potência e a eficiência térmica do motor, a temperatura de entrada da turbina também está aumentando. As pás da turbina são submetidas ao impacto de gases de alta temperatura. Quando a temperatura de entrada da turbina continua a aumentar, o resfriamento a ar sozinho já não consegue mais atender aos requisitos. Revestimentos térmicos de barreira, como meio eficaz para melhorar a resistência a altas temperaturas e a corrosão dos materiais, têm sido utilizados cada vez mais.

Revestimentos de barreira térmica geralmente são aderidos à superfície da lâmina por pulverização a plasma ou deposição por feixe eletrônico. Eles possuem as características de alto ponto de fusão e resistência ao choque térmico, o que pode melhorar a capacidade das pás de turbinas de resistir à oxidação e corrosão térmica, reduzir a temperatura da lâmina e prolongar a vida útil das lâminas. Alizadeh et al. estudaram o efeito de isolamento térmico de revestimentos de barreira térmica de 0,2 mm por simulação numérica acoplada termo-gás. Os resultados mostraram que a temperatura máxima da lâmina foi reduzida em 19 K e a temperatura média foi reduzida em 34 K. Prapamonthon et al. estudaram o efeito da intensidade da turbulência na eficiência de resfriamento das lâminas com revestimento de barreira térmica. Os resultados mostraram que os revestimentos de barreira térmica podem aumentar a eficiência de resfriamento compreensiva da superfície da lâmina em 16% a 20% e 8% na borda traseira da lâmina. Zhu Jian et al. estabeleceram um modelo unidimensional em regime estacionário para lâminas revestidas sob uma perspectiva termodinâmica, e analisaram teoricamente e calcularam o efeito de isolamento térmico dos revestimentos de barreira térmica. Shi Li et al. realizaram um estudo numérico sobre C3X com revestimentos de barreira térmica. Uma camada cerâmica de 0,3 mm pode reduzir a temperatura da superfície da lâmina em 72,6 K e aumentar a eficiência de resfriamento compreensiva em 6,5%. O revestimento de barreira térmica não tem efeito na distribuição da eficiência de resfriamento da superfície da lâmina. Zhou Hongru et al. realizaram um estudo numérico sobre a borda de ataque das pás de turbinas com revestimentos de barreira térmica. Os resultados mostraram que os revestimentos de barreira térmica não só podem reduzir a temperatura operacional das pás metálicas e o gradiente de temperatura dentro das pás, mas também resistir ao choque térmico dos pontos quentes de entrada até certo ponto. Yang Xiaoguang et al. calcularam a distribuição do campo de temperatura bidimensional e o estresse das guias estáticas com revestimentos de barreira térmica fornecendo os coeficientes de transferência de calor das superfícies interna e externa das lâminas. Wang Liping et al. realizaram uma análise tridimensional de acoplamento gasoso-térmico em guias estáticas de turbinas com estruturas de resfriamento compostas e estudaram os efeitos da espessura do revestimento e da radiação do gás no campo de temperatura do revestimento. Liu Jianhua et al. analisaram o efeito de isolamento térmico dos revestimentos de barreira térmica para lâminas de resfriamento Mark II com múltiplas camadas de revestimento de barreira térmica configurando internamente o coeficiente de transferência de calor e acoplamento gasoso-térmico externo.

1.Método de cálculo

1.1Modelo Computacional

O revestimento térmico está localizado entre o gás de alta temperatura e a superfície do substrato de liga da páscoa, e é composto por uma camada metálica de ligação e uma camada cerâmica isolante térmico. Sua estrutura básica é mostrada na Figura 1. Ao construir o modelo de cálculo, a camada de ligação com maior condutividade térmica na estrutura do revestimento térmico é ignorada, e apenas a camada cerâmica isolante térmico com menor condutividade térmica é mantida.

A Figura 2 mostra o modelo da pás após ser revestida com um revestimento térmico de barreira. A pá contém uma estrutura de resfriamento rotativo de múltiplos canais, com dois orifícios de resfriamento por filme na borda leading, uma estrutura de fenda central na borda trailing e uma estrutura de sulco em formato de H no topo da pá. O revestimento térmico de barreira é aplicado apenas no corpo da pá e na superfície da placa da borda inferior. Como a temperatura abaixo da raiz da pá é baixa e não é o foco da pesquisa, para reduzir o número de malhas computacionais, a parte abaixo da raiz é ignorada ao configurar o modelo computacional, e o modelo de domínio computacional mostrado na Figura 3 é construído.

1.2Método de cálculo numérico

A geometria interna da pás de resfriamento da turbina é relativamente complexa, e é difícil usar malhas estruturadas. O uso de malhas não estruturadas aumenta significativamente a quantidade de cálculo. Neste aspecto, este artigo utiliza um gerador de malhas poliédricas para discretizar a pá e o domínio do gás. A divisão da malha está mostrada no modelo da Figura 4.

No modelo de cálculo, a espessura do revestimento térmico é extremamente pequena, menor que 1/10 da espessura da parede da pá. Por essa razão, este artigo utiliza um gerador de malhas finas para dividir o revestimento térmico em três camadas de malhas prismáticas poligonais. O número de camadas de malhas finas foi verificado como independente, e o número de camadas de malhas finas tem praticamente nenhum efeito no campo de temperatura da pá.

O domínio do fluido adota o modelo Realizável K-Epsilon de Duas Camadas no modelo de turbulência das equações de Navier-Stokes médias de Reynolds (RANS). Este modelo oferece maior flexibilidade para o processamento da malha de toda a parede y+. Ele não só pode lidar bem com malhas finas (ou seja, tipo de número de Reynolds baixo ou malhas de baixo y+), mas também pode lidar com malhas intermediárias (ou seja, 1＜y+＜30) de forma mais precisa, o que pode balancear eficazmente estabilidade, custo computacional e precisão.

1.3Condições de contorno

A entrada de gás é definida como uma entrada de pressão total estagnada, a entrada de ar de resfriamento é uma entrada de fluxo de massa, e a saída é definida como uma saída de pressão estática. A superfície do revestimento no canal de gás é definida como uma superfície de acoplamento fluido-sólido, o revestimento e a superfície metálica da lâmina são definidos como uma interface sólida, e os dois lados do canal são definidos como um período de rotação. Tanto o gás frio quanto o gás são gases ideais, e a capacidade térmica e a condutividade térmica do gás são definidas usando a fórmula de Sutherland. As condições de contorno de cálculo correspondentes são: a pressão total na entrada principal do canal de gás é de 2,5 MPa, a distribuição de temperatura de entrada com gradiente radial de temperatura está mostrada na Figura 5, a taxa de fluxo de gás frio na entrada do canal frio na lâmina é de 45 g/s, a temperatura total é de 540 ℃, e a pressão de saída é de 0,9 MPa. O material da lâmina é uma liga de alta temperatura de cristal único à base de níquel, e a condutividade térmica do material varia com a temperatura. Considerando os materiais existentes, os revestimentos térmicos de barreira geralmente utilizam materiais de óxido de zircônio estável (YSZ) ou óxido de zircônio (ZrO2), cuja condutividade térmica varia pouco com a temperatura, portanto, a condutividade térmica é definida como 1,03 W/(m·K) no cálculo.

2 Análise dos resultados do cálculo

2.1 Temperatura da superfície da pás

As Figuras 6 e 7 mostram, respectivamente, a distribuição da temperatura superficial da lâmina não revestida e a distribuição da temperatura superficial metálica da lâmina em diferentes espessuras de revestimento. Pode-se observar que, à medida que a espessura do revestimento continua a aumentar, a temperatura da superfície metálica da lâmina diminui gradualmente, e a lei de distribuição de temperatura da superfície metálica da lâmina em diferentes espessuras é basicamente a mesma: a temperatura na parte central da superfície de pressão é mais baixa, enquanto a temperatura na ponta da lâmina é mais alta. A ponta da lâmina geralmente é a parte mais difícil de resfriar em toda a lâmina, e as nervuras na ponta da lâmina são difíceis de serem resfriadas diretamente por ar frio. No modelo de cálculo, o revestimento cobre apenas a superfície do corpo da lâmina, e a ponta da lâmina não está coberta pelo revestimento. Não há efeito de barreira para o calor proveniente do lado do gás da ponta da lâmina, portanto, a área de alta temperatura na ponta da lâmina sempre existe.

A Figura 8 mostra a curva da temperatura média da superfície metálica da lâmina variando com a espessura. Pode-se observar que a temperatura média da superfície metálica da lâmina diminui com o aumento da espessura do revestimento. Isso ocorre porque a condutividade térmica do revestimento de barreira térmica é baixa, o que aumenta a resistência térmica entre o gás de alta temperatura e a lâmina metálica, reduzindo efetivamente a temperatura da superfície metálica da lâmina. Quando a espessura do revestimento é de 0,05 mm, a temperatura média do corpo da lâmina diminui em 21 °C, e então, à medida que a espessura do revestimento de barreira térmica aumenta, a temperatura da superfície da lâmina continua a diminuir; quando a espessura do revestimento é de 0,20 mm, a temperatura média do corpo da lâmina diminui em 49 °C. Isso está basicamente em consonância com o efeito de isolamento térmico medido por Zhang Zhiqiang et al. através do teste de efeito frio.

A Figura 9 é uma curva que mostra a mudança da temperatura superficial da seção da lâmina ao longo do comprimento da corda axial. Como pode ser visto na Figura 9, sob diferentes espessuras de revestimentos térmicos de barreira, a tendência de mudança de temperatura ao longo do comprimento da corda axial é basicamente a mesma, e a temperatura da superfície de sucção é significativamente maior do que a temperatura da superfície de pressão. Na direção do comprimento da corda axial, a temperatura das superfícies de pressão e de sucção primeiro diminui e depois aumenta, havendo uma certa flutuação na área da borda traseira, o que é causado pela forma estrutural do resfriamento por jato dividido no meio da borda traseira. Ao mesmo tempo, a temperatura da lâmina revestida com o revestimento térmico de barreira diminui significativamente, e a redução de temperatura na superfície de sucção é significativamente maior do que na superfície de pressão. A redução de temperatura diminui gradualmente da borda dianteira para a borda traseira, e quanto mais próximo da borda dianteira da lâmina, maior é a redução de temperatura.

A uniformidade da temperatura do metal da lâmina afeta o nível de estresse térmico da lâmina, portanto, este artigo utiliza o índice de uniformidade de temperatura para medir a uniformidade de temperatura da lâmina sólida. Índice de uniformidade de temperatura:

Onde: c é o volume de cada unidade, T- é a média de temperatura por volume, Tc é o valor de temperatura na unidade de grade, e Vc é o volume da unidade de grade. Se o campo de temperatura volumétrica estiver distribuído uniformemente, o índice de uniformidade volumétrica é 1. Como pode ser visto na Figura 10, após a aplicação do revestimento térmico de barreira, a uniformidade de temperatura da lâmina é significativamente melhorada. Quando a espessura do revestimento é de 0,2 mm, o índice de uniformidade de temperatura da lâmina aumenta em 0,4%.

2.2 Temperatura da superfície do revestimento

A mudança de temperatura da superfície do revestimento está mostrada na Figura 11. Como pode ser visto na Figura 11, à medida que a espessura do revestimento aumenta, a temperatura da superfície do revestimento de barreira térmica continua a aumentar, o que é exatamente o oposto da tendência média de mudança de temperatura da superfície da lâmina. À medida que a resistência térmica aumenta na direção da espessura do revestimento, a diferença de temperatura entre a superfície do revestimento e a superfície da lâmina gradualmente aumenta, e o calor acumulado na superfície se torna mais difícil de difundir para a lâmina metálica. Quando a espessura do revestimento é de 0,20 mm, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior do revestimento atinge 86 °C.

2.3 Temperatura da seção transversal da lâmina

A Figura 12 mostra a distribuição de temperatura das bordas de ataque e saída das lâminas com e sem revestimentos térmicos. Após a superfície ser coberta com revestimentos térmicos, a temperatura transversal da lâmina é significativamente reduzida, e o gradiente de temperatura é aliviado. Isso ocorre porque, após a aplicação do revestimento térmico, a densidade de fluxo de calor no revestimento é reduzida. Ao mesmo tempo, como o material do revestimento térmico tem uma baixa condutividade térmica, as mudanças de temperatura dentro do sólido do revestimento térmico são muito drásticas.

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