Studiu privind mecanismul de influență al revestirii cu barieră termică asupra efectului de răcire al aripilor turbinei unei anumite tipuri de turbine cu gaz

Pentru a obține efectul de izolare termică și legea distribuției temperaturii a revestirii termice pe lamine turbină, s-a folosit un anumit tip de lamă mobilă a turbinei de presiune înaltă cu structură internă de răcire ca model de bază. Efectul de răcire al lamei mobile ale turbinei de presiune înaltă, cu sau fără protecție a revestirii termice, a fost calculat numeric prin metoda cuplării gaz-caldă, iar influența revestirii termice asupra transferului de căldură al lamei a fost studiată prin schimbarea Grosimii revestirii termice. Studiul a constatat că după aplicarea revestirii termice, temperatura lamei a scăzut semnificativ, cu cât mai apropiat de marginea anterioară, cu atât mai mare este scăderea temperaturii, iar scăderea temperaturii pe partea de presiune este mai mare decât pe partea de suxiune; o revestire termică cu o grosime de 0,05-0,2 mm poate reduce temperatura medie a suprafeței metalice a lamei cu 21-49 ℃; cu creșterea grosimii revestirii, distribuția temperaturii în interiorul metalului lamei va deveni mai uniformă.

În dezvoltarea turbinei cu gaz, pentru a îmbunătăți puterea și eficiența termică a motorului, temperatura de intrare a turbinei crește tot mai mult. Lamele turbinei sunt supuse impactului unui gaz la înaltă temperatură. Când temperatura de intrare a turbinei continuă să crească, răcirea cu aer nu mai poate satisface cerințele. Revestiri termice de barieră, ca mijloc eficient de a îmbunătăți rezistența la înaltă temperatură și rezistența la coroziune a materialelor, au fost folosite din ce în ce mai mult.

Revestirile de barieră termică sunt, în general, lipite de suprafața lamei prin proiecție cu flacăra de plasmă sau depunere cu raza electronică. Acestea au caracteristicile de punct mare de topire și rezistență la șocul termic, care pot îmbunătăți capacitatea lamelor de turbină de a rezista oxidației și coroziunii termice, să reducă temperatura lamei și să prelungesc durata de viață a lamei. Alizadeh și alții au studiat efectul izotermic al revestirilor de barieră termică de 0,2 mm prin simulare numerică cu cuplaj termic-gaz. Rezultatele au arătat că temperatura maximă a lamei s-a redus cu 19 K, iar temperatura medie s-a redus cu 34 K. Prapamonthon și alții au studiat efectul intensității turbulenței asupra eficienței de răcire a lamelor cu revestiri de barieră termică. Rezultatele au arătat că revestirile de barieră termică pot crește eficiența globală de răcire a suprafeței lamei cu 16% până la 20% și cu 8% la marginea trailing a lamei. Zhu Jian și alții au stabilit un model unidimensional steady-state pentru lame revăsite dintr-o perspectivă termodinamică, analizând și calculând teoretic efectul izotermic al revestirilor de barieră termică. Shi Li și alții au realizat o studiu numeric pe C3X cu revestiri de barieră termică. O strat ceramic de 0,3 mm poate reduce temperatura suprafeței lamei cu 72,6 K și crește eficiența globală de răcire cu 6,5%. Revestirea de barieră termică nu are niciun efect asupra distribuției eficienței de răcire a suprafeței lamei. Zhou Hongru și alții au realizat un studiu numeric privind marginea leading a lamei de turbină cu revestiri de barieră termică. Rezultatele au arătat că revestirile de barieră termică pot nu doar să reducă temperatura de funcționare a lamei metalice și gradientul de temperatură din interiorul lamei, dar și să reziste, într-o anumită măsură, șocului termic al punctelor calde de intrare. Yang Xiaoguang și alții au calculat distribuția câmpului de temperatură bidimensional și stresul aletelor cu revestiri de barieră termică, oferind coeficienții de transfer de căldură ai suprafețelor interne și externe ale lamei. Wang Liping și alții au realizat o analiză tridimensională de cuplaj gaz-termic pe aletele de turbină cu structuri de răcire compuse și au studiat efectele Grosimii revestirii și radiației gazei asupra câmpului de temperatură al revestirii. Liu Jianhua și alții au analizat efectul izotermic al revestirilor de barieră termică pentru lame de răcire Mark II cu revestiri de barieră termică multistrat prin stabilirea internă a coeficientului de transfer de căldură și cuplaj extern gaz-termic.

1.Metoda de calcul

1.1Model de calcul

Revărsarea termică se află între gazul la înaltă temperatură și suprafața aliajului de lama, fiind compusă dintr-o strat metalic de legare și dintr-un strat ceramic izolant termic. Structura sa de bază este prezentată în Figura 1. Atunci când se construiește modelul de calcul, stratul de legare cu conductivitate termică mai ridicată din structura revărsării termice este ignorat, retenindu-se doar stratul ceramic izolant termic cu conductivitate termică mai scăzută.

Figura 2 arată modelul lamei după aplicarea stratului de izolare termică. Lama conține o structură de răcire rotativă multi-canal, cu două gauri de răcire prin film pe marginea anterioară, o structură de fenda centrală pe marginea posterioară și o structură de grob în formă de H pe vârful lamei. Stratul de izolare termică este aplicat doar pe corpul lamei și pe suprafața plăcii de margine inferioară. Deoarece temperatura sub rădăcina lamei este mică și nu este obiectul cercetării, pentru a reduce numărul rețelelor de calcul, parte din sub rădăcină este ignorată la stabilirea modelului de calcul, construindu-se astfel modelul domeniului de calcul prezentat în Figura 3.

1.2Metoda de calcul numeric

Geometria internă a turbinii de răcire a lamei este relativ complexă, iar utilizarea rețelelor structurate este dificilă. Utilizarea rețelelor nestructurate crește semnificativ cantitatea de calcul. În acest sens, această lucrare utilizează un generator de rețea poliedrică pentru a crea rețeaua pe lamă și domeniul de gaz. Diviziunea rețelei, modelul rețelei este prezentat în Figura 4.

În modelul de calcul, grosimea stratului de barieră termică este extrem de mică, mai mică de 1/10 din grosimea peretelui lamei. Pentru această rază, această lucrare utilizează un generator de rețea subțire pentru a diviza stratul de barieră termică în trei straturi de rețele prismaticale poligonale. Numărul de straturi ale rețelei subțiri a fost verificat ca fiind independent, iar numărul de straturi ale rețelei subțiri are aproape niciun efect asupra câmpului de temperatură al lamei.

Domeniul fluid adoptă modelul Realizable K-Epsilon Two-Layer în cadrul ecuațiilor Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS) pentru modelarea turbulenței. Acest model oferă o flexibilitate mai mare pentru procesarea rețelei (mesh) a întregii y+ de la perete. Poate trata nu doar rețele fine (adică, tipul cu număr scăzut de Reynolds sau rețele cu y+ mic), dar și rețele intermediare (adică, 1＜y+＜30) în cel mai precis mod, ceea ce poate să echilibreze eficient stabilitatea, costul computațional și precizia.

1.3Condiții la limită

Intrarea de gaz este setată ca o intrare de presiune totală stagnată, intrarea aerului de răcire este o intrare de flux de masă, iar ieșirea este setată ca o ieșire de presiune statică. Suprafața acoperisului în canalul de gaz este setată ca o suprafață de cuplare lichid-solid, acoperisul și suprafața metalică a lamăii sunt setate ca o interfață solidă, iar cele două părți ale canalelor sunt setate ca o perioadă de rotație. Atât gazul cât și gazul rece sunt gaze ideale, iar capacitatea termică și conductivitatea termică a gazelor sunt setate folosind formula Sutherland. Condițiile marginiale corespunzătoare de calcul sunt: presiunea totală a intrării principale a gazului din canal este de 2,5 MPa, distribuția temperaturii de intrare cu gradient radial de temperatură este prezentată în Figura 5, debitul de flux al gazului rece din canalul rece din lamă este de 45 g/s, temperatura totală este de 540 °C, iar presiunea de ieșire este de 0,9 MPa. Materialul lamei este o alianță monocristalină bazată pe nici, iar conductivitatea termică a materialului variază în funcție de temperatură. În ceea ce privește materialele existente, acoperisurile termice folosesc în mod normal materiale de oxid de circoniu stabil cu yttriu (YSZ) sau oxid de circoniu (ZrO2), ale căror conductivități termice variază puțin cu temperatura, prin urmare, conductivitatea termică este setată la 1,03 W/(m·K) în calcul.

2 Analiza rezultatelor calculului

2.1 Temperatura suprafeței lamei

Figurile 6 și 7 arată distribuția temperaturii de pe suprafața lamăii neînvelite și distribuția temperaturii de pe suprafața metalică a lamăii la diferite grosimi de strat, respectiv. Se observă că pe măsură ce grosimea stratului continuă să crească, temperatura suprafeței metalice a lamăii scade treptat, iar legea distribuției temperaturii de pe suprafața metalică a lamăii la diferite grosimi este în general aceeași: temperatura pe jumătatea presurilor este mai mică, iar temperatura la vârful lamei este mai mare. Vârful lamei este de obicei cea mai dificilă parte a lamei de răcinit, iar nervurile din zona vârfului sunt greu de răcins direct cu aer rece. În modelul de calcul, stratul acoperă doar suprafața corpului lamei, iar vârful lamei nu este acoperit cu strat. Nu există un efect de bariere asupra căldurii de pe partea gazului vârfului lamei, astfel că zona de înaltă temperatură la vârful lamei există mereu.

Figura 8 arată curba variației temperaturii medii a suprafeței metalice a lamăii în funcție de grosime. Se poate observa că temperatura medie a suprafeței metalice a lamăii scade cu creșterea grosimii stratului. Acest lucru se datorează faptului că conductivitatea termică a stratului de barieră termică este mică, ceea ce crește rezistența termică între gazul la înaltă temperatură și lama metallică, reducând eficient temperatura suprafeței metalice a lamăii. Când grosimea stratului este de 0,05 mm, temperatura medie a corpului lamei scade cu 21 °C, iar apoi, cu creșterea grosimii stratului de barieră termică, temperatura suprafeței lamei continuă să scadă; când grosimea stratului este de 0,20 mm, temperatura medie a corpului lamei scade cu 49 °C. Acest lucru este esențial consistent cu efectul termic de izolare măsurat de Zhang Zhiqiang și colaboratori prin testul de efect rece.

Figura 9 este o curbă care arată schimbarea temperaturii de pe suprafața secțiunii de lamă în lungimea coardei axiale. După cum se poate observa din Figura 9, sub diferite grosimi ale revestirilor termice de barieră, tendința de schimbare a temperaturii în lungimea coardei axiale este în general aceeași, iar temperatura suprafeței de sugeție este semnificativ mai ridicată decât temperatura suprafeței de presiune. În direcția lungimii coardei axiale, temperatura suprafeței de presiune și cea a suprafeței de sugeție scade întâi apoi crește, existând o anumită fluturare în zona marginei libere, cauzată de forma structurală a răcirei prin pulverizare cu separat-sprăințe în mijlocul zonei de margine liberă. În același timp, temperatura lamei îmbrăcată cu revestire termică de barieră scade semnificativ, iar scăderea temperaturii pe suprafața de sugeție este semnificativ mai mare decât pe cea de presiune. Scăderea temperaturii scade treptat de la marginea anterioară spre cea posterioară, iar cu cât ne apropiem mai mult de marginea anterioară a lamei, cu atât scăderea temperaturii este mai mare.

Uniformitatea temperaturii metalului lamei influențează nivelul de stres termic al lamei, prin urmare, această lucrare utilizează indicele de uniformitate a temperaturii pentru a măsura uniformitatea temperaturii lamei solide. Indicele de uniformitate a temperaturii:

Unde: c reprezintă volumul fiecărei unități, T- este media volumetrică a temperaturii T, Tc este valoarea temperaturii în unitatea de rețea, iar Vc este volumul unității de rețea. Dacă câmpul de temperatură volumetrică este distribuit uniform, indicele de uniformitate volumetrică este 1. După cum se poate observa din Figura 10, după aplicarea barierii termice prin pulverizare, uniformitatea temperaturii lamei se îmbunătățește semnificativ. Când grosimea stratului este de 0,2 mm, indicele de uniformitate a temperaturii lamei crește cu 0,4%.

2.2 Temperatura suprafeței stratului

Schimbarea temperaturii suprafeței acoperisului este prezentată în Figura 11. După cum se poate observa din Figura 11, pe măsură ce grosimea acoperisului crește, temperatura de suprafață a acoperisului cu barieră termică continuă să crească, ceea ce este exact opus trendului mediu al schimbărilor de temperatură ale suprafeței palei. Pe măsură ce rezistența termică crește în direcția grosimii acoperisului, diferența de temperatură între suprafața acoperisului și suprafața palei crește treptat, iar căldura acumulată pe suprafață devine tot mai dificil de difuzat spre pala metalică. Când grosimea acoperisului este de 0,20 mm, diferența de temperatură între interior și exteriorul acoperisului ajunge la 86 °C.

2.3 Temperatura secțiunii transversale a palei

Figura 12 arată distribuția temperaturii la marginile anterioare și posterioare ale lamelor, atât cu cât și fără revăluri termice. După ce suprafața este acoperită cu o revălură termică, temperatura secțiunii transversale a lamei se reduce semnificativ, iar gradientul de temperatură este alinat. Acest lucru se datorează faptului că după aplicarea revălurii termice, densitatea fluxului termic din interiorul revălurii este redusă. În același timp, deoarece materialul revălurii termice are o conductivitate termică scăzută, schimbările de temperatură în interiorul solidului revălurii termice sunt foarte abrupte.

Contactați-ne

Vă mulțumim pentru interesul dumneavoastră față de compania noastră! Ca o companie specializată în fabricarea pieselor pentru turbine cu gaz, ne vom continua să angajăm în inovații tehnologice și îmbunătățirea serviciilor, oferind soluții de calitate mai multor clienți de pe întreaga lume. Dacă aveți întrebări, sugestii sau intenții de colaborare, suntem foarte bucuroși să vă ajutăm. Vă rugăm să ne contactați în următoarele modalități:

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