Исследование механизма влияния термобарьерного покрытия на охлаждающий эффект лопастей турбины определенного типа газовой турбины

Для получения эффекта термоизоляции и закона распределения температуры при использовании теплозащитного покрытия на лопастях турбины была использована определённая модель газовой турбины с высоким давлением, имеющая внутреннюю охладительную структуру. Охлаждающий эффект движущейся лопасти высокого давления турбины с или без теплозащитного покрытия был численно рассчитан методом газотеплового соединения, а влияние теплозащитного покрытия на теплообмен лопасти изучалось путем изменения толщины теплозащитного покрытия. Исследование показало, что после нанесения теплозащитного покрытия температура лопасти значительно снизилась, чем ближе к переднему краю, тем больше падение температуры, и падение температуры на давлении больше, чем на стороне всасывания; теплозащитное покрытие толщиной 0,05-0,2 мм может снизить среднюю температуру металлической поверхности лопасти на 21-49 °C; по мере увеличения толщины покрытия распределение температуры внутри металла лопасти станет более равномерным.

При разработке газовых турбин, для повышения мощности и тепловой эффективности двигателя, температура впуска турбины также увеличивается. Лопасти турбины подвергаются воздействию высокотемпературных газов. Когда температура впуска турбины продолжает расти, воздушного охлаждения уже недостаточно для удовлетворения требований. Термобарьерные покрытия, как эффективное средство для повышения сопротивления материалом высоким температурам и коррозии, всё чаще применяются.

Термобарьерные покрытия обычно наносятся на поверхность лопасти методом плазменной или электронно-лучевой депонированием. Они обладают характеристиками высокой температуры плавления и сопротивления тепловому удару, что может повысить способность турбинных лопастей сопротивляться окислению и термической коррозии, снижать температуру лопасти и увеличивать срок их службы. Ализадех и др. изучили теплозащитный эффект 0,2 мм термобарьерных покрытий с помощью численного моделирования газо-теплового купирования. Результаты показали, что максимальная температура лопасти уменьшилась на 19 К, а средняя температура снизилась на 34 К. Прапамонтон и др. изучили влияние интенсивности турбулентности на эффективность охлаждения лопастей с термобарьерными покрытиями. Результаты показали, что термобарьерные покрытия могут повысить общую эффективность охлаждения поверхности лопасти на 16–20% и на 8% на концевой части лопасти. Чжу Цзянь и др. разработали одномерную стационарную модель для лопастей с покрытием с точки зрения термодинамики и теоретически проанализировали и рассчитали теплозащитный эффект термобарьерных покрытий. Ши Ли и др. провели численное исследование C3X с термобарьерными покрытиями. 0,3 мм керамический слой может снизить температуру поверхности лопасти на 72,6 К и повысить общую эффективность охлаждения на 6,5%. Термобарьерное покрытие не оказывает влияния на распределение эффективности охлаждения поверхности лопасти. Чжоу Хунгру и др. провели численное исследование передней кромки турбинных лопастей с термобарьерными покрытиями. Результаты показали, что термобарьерные покрытия могут не только снижать рабочую температуру металлических лопастей и температурный градиент внутри лопастей, но и противостоять тепловому удару от входных горячих точек в определенной степени. Ян Сяогуан и др. рассчитали двумерное распределение температурного поля и напряжений направляющих лопаток с термобарьерными покрытиями, задав коэффициенты теплоотдачи внутренних и внешних поверхностей лопастей. Ван Липин и др. провели трехмерный газо-тепловой сопряженный анализ турбинных направляющих лопаток со сложными системами охлаждения и изучили влияние толщины покрытия и радиации газа на температурное поле покрытия. Лю Цзяньхуа и др. проанализировали теплозащитный эффект термобарьерных покрытий для лопастей охлаждения Mark II с многослойными термобарьерными покрытиями, установив внутренний коэффициент теплоотдачи и внешнее газо-тепловое сопряжение.

1.Метод расчета

1.1Вычислительная модель

Теплоизоляционное покрытие находится между высокотемпературным газом и поверхностью субстрата сплава лопасти, и состоит из металлического связующего слоя и теплоизоляционного керамического слоя. Его базовая структура показана на рисунке 1. При построении расчетной модели пренебрегается связующим слоем с более высокой теплопроводностью в структуре теплоизоляционного покрытия, и учитывается только керамический слой с низкой теплопроводностью.

Рисунок 2 показывает модель лопасти после нанесения термобарьерного покрытия. Лопасть содержит многоканальную вращательную охлаждающую структуру, с двумя отверстиями для пленочного охлаждения на передней кромке, средней щелевой структурой на задней кромке и H-образной канавкой на вершине лопасти. Термобарьерное покрытие наносится только на тело лопасти и поверхность нижней кромки. Поскольку температура ниже корня лопасти низкая и не является объектом исследования, для уменьшения количества вычислительных сеток часть ниже корня игнорируется при создании вычислительной модели, и строится модель расчетной области, показанная на рисунке 3.

1.2Метод численного расчета

Внутренняя геометрия турбинного охлаждающего лопатки относительно сложна, и сложно использовать структурированные сетки. Использование неструктурированных сеток значительно увеличивает объем вычислений. В связи с этим в данной работе используется генератор полиэдрических сеток для разбиения на элементы лопатки и газовой области. Разделение на элементы, модель сетки показана на рисунке 4.

В расчетной модели толщина термобарьерного покрытия крайне мала, менее 1/10 от толщины стенки лопатки. По этой причине в данной работе используется генератор тонких сеток для разделения термобарьерного покрытия на три слоя многоугольных призматических сеток. Количество слоев тонкой сетки было проверено на независимость, и количество слоев тонкой сетки практически не влияет на температурное поле лопатки.

Область жидкости использует модель Реализуемый K-Epsilon Two-Layer в уравнениях Рейнольдса, усредненных по Навье-Стоксу (RANS) для турбулентности. Эта модель обеспечивает большую гибкость при обработке сетки для всей стены y+. Она может не только хорошо обрабатывать тонкие сетки (то есть, тип с низким числом Рейнольдса или сетки с низким y+), но и эффективно обрабатывать промежуточные сетки (то есть, 1＜y+＜30) с максимальной точностью, что позволяет эффективно балансировать устойчивость, вычислительные затраты и точность.

1.3Граничные условия

Вход газа установлен как вход с полным давлением застоя, вход охлаждающего воздуха является входом массового потока, а выход настроен как выход статического давления. Поверхность покрытия в газовом канале установлена как поверхность жидкость-твердое тело, покрытие и металлическая поверхность лопасти настроены как твердый интерфейс, а обе стороны канала настроены как период вращения. Как холодный газ, так и газ являются идеальными газами, а удельная теплоемкость газа и теплопроводность устанавливаются с использованием формулы Сазерленда. Соответствующие расчетные граничные условия: полное давление основного потока на входе газового канала составляет 2,5 МПа, распределение температуры входа с радиальным градиентом температуры показано на рисунке 5, расход холодного газа на входе холодного канала в лопасти равен 45 г/с, общая температура составляет 540 °C, а давление на выходе равно 0,9 МПа. Материал лопасти представляет собой никелевую одно kristallинную высокотемпературную сплав, теплопроводность материала изменяется с температурой. Что касается существующих материалов, то термобарьерные покрытия обычно используют стабильные оксиды циркония с иттрием (YSZ) или оксиды циркония (ZrO2), чья теплопроводность мало меняется с температурой, поэтому в расчете теплопроводность установлена на уровне 1,03 Вт/(м·К).

2 Анализ результатов расчета

2.1 Температура поверхности лопасти

Рисунки 6 и 7 показывают распределение температуры поверхности неметаллического лопасти и распределение температуры металлической поверхности лопасти при различных толщинах покрытия соответственно. Можно видеть, что по мере увеличения толщины покрытия температура металлической поверхности лопасти постепенно снижается, а закономерность распределения температуры металлической поверхности лопасти при различных толщинах покрытия в основном одинакова: температура в середине давления ниже, а температура на конце лопасти выше. Конец лопасти обычно является самой сложной частью для охлаждения всей лопасти, и ребра жесткости на конце лопасти трудно охлаждать непосредственно холодным воздухом. В расчетной модели покрытие охватывает только поверхность корпуса лопасти, а конец лопасти не покрыт покрытием. Нет барьерного эффекта на тепло с газовой стороны конца лопасти, поэтому высокотемпературная зона на конце лопасти всегда существует.

Рисунок 8 показывает кривую изменения средней температуры поверхности металла лопасти в зависимости от толщины. Можно видеть, что средняя температура поверхности металла лопасти уменьшается с увеличением толщины покрытия. Это происходит потому, что теплопроводность термобарьерного покрытия низкая, что увеличивает тепловое сопротивление между высокотемпературным газом и металлической лопастью, эффективно снижая температуру поверхности металла лопасти. Когда толщина покрытия составляет 0,05 мм, средняя температура корпуса лопасти уменьшается на 21 °C, а затем с увеличением толщины термобарьерного покрытия температура поверхности лопасти продолжает падать; когда толщина покрытия достигает 0,20 мм, средняя температура корпуса лопасти уменьшается на 49 °C. Это в основном согласуется с теплоизоляционным эффектом, измеренным Чжан Чжицяном и др. через тест на холодный эффект.

Рисунок 9 представляет собой кривую, показывающую изменение температуры поверхности сечения лопасти вдоль осевого хордового размера. Как видно из рисунка 9, при различных толщинах термобарьерных покрытий тренд изменения температуры вдоль осевого хордового размера基本上 одинаковый, и температура всасывающей стороны значительно выше, чем температура нагнетающей стороны. В направлении осевого хордового размера температура нагнетающей и всасывающей сторон сначала уменьшается, а затем увеличивается, и наблюдается определенная нестабильность в области задней кромки, что вызвано структурной формой разделенного щелевого распыления для охлаждения в середине задней кромки. При этом температура лопасти с термобарьерным покрытием значительно снижается, и падение температуры на всасывающей стороне значительно больше, чем на нагнетающей стороне. Падение температуры постепенно уменьшается от передней кромки до задней кромки, и чем ближе к передней кромке лопасти, тем больше падение температуры.

Единство температуры металла лопасти влияет на уровень термического напряжения лопасти, поэтому в данной статье используется индекс равномерности температуры для измерения равномерности температуры твердой лопасти. Индекс равномерности температуры:

Где: c — это объем каждой единицы, T — это среднее значение температуры по объему, Tc — это значение температуры в сеточной единице, а Vc — это объем сеточной единицы. Если поле температуры распределено равномерно по объему, то индекс объемной равномерности равен 1. Как видно из рисунка 10, после нанесения теплозащитного покрытия равномерность температуры лопасти значительно улучшается. При толщине покрытия 0,2 мм индекс равномерности температуры лопасти увеличивается на 0,4%.

2.2 Температура поверхности покрытия

Изменение температуры поверхности покрытия показано на рисунке 11. Как видно из рисунка 11, по мере увеличения толщины покрытия температура поверхности термобарьерного покрытия продолжает расти, что является точной противоположностью средней тенденции изменения температуры поверхности лопасти. По мере увеличения теплосопротивления в направлении толщины покрытия разница температур между поверхностью покрытия и поверхностью лопасти постепенно возрастает, а накапливаемое тепло на поверхности становится более трудно рассеиваться на металлическую лопать. Когда толщина покрытия составляет 0,20 мм, разница температур между внутренней и внешней сторонами покрытия достигает 86 °C.

2.3 Температура поперечного сечения лопасти

Рисунок 12 показывает распределение температуры передней и задней кромки лопастей с и без теплозащитного покрытия. После нанесения поверхности теплозащитного покрытия, поперечная температура лопасти значительно снижается, а температурный градиент уменьшается. Это происходит потому, что после применения теплозащитного покрытия плотность теплового потока в покрытии уменьшается. Одновременно, так как материал теплозащитного покрытия имеет низкую теплопроводность, изменения температуры внутри твердого теплозащитного покрытия очень резкие.

Свяжитесь с нами

Благодарим вас за интерес к нашей компании! Будучи профессиональной компанией по производству деталей газовых турбин, мы продолжим уделять внимание технологическому развитию и улучшению сервиса для предоставления более качественных решений нашим клиентам по всему миру. Если у вас есть вопросы, предложения или намерения о сотрудничестве, мы с радостью поможем вам. Пожалуйста, свяжитесь с нами следующими способами:

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