Štúdia vplyvového mechanizmu tepelnej izolačnej obaly na chladenie lopatiek turbíny určitého typu plynovej turbíny

Aby sa získalo poznatky o termickej izolácii a zákone rozdelenia teploty prikrytia teplovou bariérou na turbinových lopatkách, bola použitá určitá druhá plynová turbína s vysokým tlakom so vnútornou chladivou štruktúrou hybných lopatiek ako základný model. Chladivý efekt hybných lopatiek turbíny s vysokým tlakom s alebo bez ochrany teplovej bariéry bol numericky vypočítaný pomocou metódy koppelovania plynu a tepla, a vplyv teplovej bariéry na prenos tepla cez lopaťku bol študovaný zmenou hrúbky tepovej bariéry. Štúdia zistila, že po aplikácii teplovej bariéry sa teplota lopatiek významne znížila, čím bližšie ku vodcovému okraju, tým väčšie klesnutie teploty, a klesnutie teploty na tlakovom boku je vyššie ako na vssávacom boku; teplová bariéra s hrúbkou 0,05 - 0,2 mm môže znížiť priemernú teplotu povrchu kovovej lopatie o 21-49 °C; s nárastom hrúbky obloženia sa distribúcia teploty vo vnútri kovovej lopatie stane jednotnejšou.

V rozvoji plynových turbín, aby sa zvýšila výkonnosť a tepelná účinnosť motora, sa tiež zvyšuje vstupná teplota turbíny. Lalie turbíny sú podliehané vplyvu vysokohtnej plynového prúdenia. Keď sa vstupná teplota turbíny pokračovo zvyšuje, tak jediné vzdušné chladenie už požiadavkám nevyhovuje. Teplové bariéry v tvare nátierkov, ako efektívna metóda na zlepšenie odolnosti materiálov voči vysokým teplám a korozií, sa stále častejšie používajú.

Termické bariéry sú všeobecne aplikované na povrch lopatiek pomocou plazmového sprašovania alebo elektrónového základného nanorenia. Majú vlastnosti vysokého teplotného bodu a odolnosti voči termíckemu šoku, čo môže zlepšiť schopnosť turbínových lopatiek odolávať oxidácii a termíckej korozií, znížiť teplotu lopatiek a predĺžiť ich životnosť. Alizadehovi a spol. študovali termickú izolačnú účinnosť 0,2 mm termickej bariéry pomocou numerického modelovania s pripojením plynu a tepla. Výsledky ukázali, že maximálna teplota lopatiek sa znížila o 19 K a priemerná teplota o 34 K. Prapamonthonovi a spol. študovali vplyv intenzity turbulentnosti na chladenie účinnosti lopatiek s termickou bariérou. Výsledky ukázali, že termické bariéry môžu zvýšiť celkovú chladivú účinnosť povrchu lopatiek o 16% až 20% a o 8% na koncovom okraji lopatiek. Zhu Jianovi a spol. vytvorili jednodimenzionálny ustálený model pre lopaťky s nánikmi z termodynamického hľadiska a teoreticky analyzovali a vypočítali izolačnú účinnosť termickej bariéry. Shi Li a spol. provedli numerické štúdie na C3X s termickou bariérou. 0,3 mm keramická vrstva môže znížiť povrchovú teplotu lopatiek o 72,6 K a zvýšiť celkovú chladivú účinnosť o 6,5%. Termická bariéra nemá vplyv na rozdelenie chladivej účinnosti povrchu lopatiek. Zhou Hongru a spol. vykonali numerické štúdie na prednej hrane turbínových lopatiek s termickou bariérou. Výsledky ukázali, že termické bariéry môžu nie len znížiť prevádzkovú teplotu kovových lopatiek a teplotný gradient vnútri lopatiek, ale aj odolávať termíckemu šoku vstupných teplých bodov do istej miery. Yang Xiaoguang a spol. vypočítali dvojrozmerné rozloženie teplotného poľa a strese pre vodičské vanovky s termickou bariérou, pričom boli dané koeficienty tepelnej vodivosti vnútorných a vonkajších povrchov lopatiek. Wang Liping a spol. vykonali trojrozmernú plynovú-termickú spojenú analýzu pre turbínové vodičské vanovky s kompozitnými chladivými štruktúrami a študovali vplyv hrúbky nániku a plynového zářenia na teplotné pole nánika. Liu Jianhua a spol. analyzovali izolačnú účinnosť termickej bariéry pre chladivé lopatie Mark II s viacvrstvovými termickými bariérmi pomocou nastavenia vnútorného koeficientu tepelnej vodivosti a vonkajšieho plynového-termického spojenia.

1. Metóda výpočtu

1.1 Výpočtová model

Termická bariéra je umiestnená medzi vysokoteplným plynom a povrchnou časticou substrátu lopatky z hliníkového spoja, a skladá sa z kovovej väzobnej vrstvy a termicky izolačnej keramickej vrstvy. Jej základná štruktúra je uvedená na obrázku 1. Keď sa tvorí výpočtová model, ignoruje sa väzobná vrstva s vyšším tepelným vodivosťou v štruktúre termickej bariéry, a zachováva sa len termicky izolačná keramická vrstva s nižším tepelným vodivosťou.

Obrázok 2 ukazuje model lopatky po nanesení teplovej izolačnej prevleku. Lopatka obsahuje viackanálovú rotáciu chladenia, s dvoma výfukovými filmovými chladeniami na prednej hrane, strednou šikmou štruktúrou na zadnej hrane a H-ovitou bránkovou štruktúrou na vrchole lopatky. Teplová izolačná prevlek je nanesená len na telo lopatky a povrch spodnej krajnice. Keďže teplota pod koreňom lopatky je nízka a nie je to fokus výskumu, aby sa znížil počet výpočtových sieťových bodov, pri nastavovaní výpočtového modelu je časť pod koreňom ignorovaná a zostrojený je výpočtový doménový model, ako je uvedené na obrázku 3.

1.2 Numerická metóda výpočtu

Vnútorná geometria chladenia lopatky turbíny je relatívne zložitá a ťažko použiteľná pre štruktúrované siete. Použitie neštruktúrovaných sietí významne zvyšuje množstvo výpočtov. V tomto ohľade článok používa generátor polyedrických sieťov na diskretizáciu lopatky a plynového priestoru. Model sieťovania je znázornený na obrázku 4.

V výpočtovom modeli je hrúbka teplovej izolačnej prevleku extrémne malá, menej ako 1/10 hrubky steny lopatky. Z tohto dôvodu tento článok používa generátor tenkých sieťov na rozdelenie teplovej izolačnej prevleku do troch vrstiev polyhedrických hranolových sieťov. Počet vrstiev tenkých sieťov bol overen ako nezávislý a má téměř žiadny vplyv na teplotné pole lopatky.

Doména tekutiny používa model Realizable K-Epsilon Two-Layer v rámci rovníc Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS) pre turbulenciu. Tento model poskytuje väčšiu flexibility pri spracovaní siete celého y+ steny. Dokáže ne len efektívne spracovať detailné siete (t.j., typy s nízkym číslom Reynoldsovej čísel alebo sieti s nízkym y+), ale aj optimálne zvláda stredne hrubé siete (t.j., 1＜y+＜30), čo účinne vyváži stabilitu, výpočetnú nákladnosť a presnosť.

1.3Okrajové podmienky

Vstup plynového vchodu je nastavený ako celkový tlakový stagnačný vchod, chladivací vzduchový vstup je hmotnosným prúdom a výstup je nastavený ako statický tlakový výstup. Plocha obalovania v plynovom kanáli je nastavená ako povrch tekutina-pevnina spojenia, obalovanie a kovová plocha lopatky sú nastavené ako pevná rozhranie a oboje strany kanála sú nastavené ako rotácia periody. Obe studené plyny a plyny sú ideálnymi plynmi a tepelná kapacita a tepelná vodivosť plynu je nastavená pomocou Sutherlandskej formuly. Príslušné výpočtové okrajové podmienky sú: celkový tlak hlavného vstupu v plynovom kanáli je 2,5 MPa, distribúcia vstupnej teploty s radiálnym teplotným gradientom je znázornená na obrázku 5, hmotnostný tok studeného plynu v chladiacom kanáli lopatky je 45 g/s, celková teplota je 540 °C a výstupný tlak je 0,9 MPa. Materiál lopatky je niklová jednoduchá krystalická vysokoteplá aliancia, pričom tepelná vodivosť materiálu sa mení s teplotou. V súvislosti s existujúcimi materiálmi sa teplové bariéry obvykle používajú stabilné oxidy zirkóniu s yttriom (YSZ) alebo oxidy zirkóniu (ZrO2), ktorých tepelná vodivosť sa málo mení s teplotou, preto je tepelná vodivosť vypočítaná na hodnote 1,03 W/(m·K).

2 Analýza výsledkov výpočtu

2.1 Teplota povrchu lopatky

Obrázky 6 a 7 ukazujú rozdelenie povrchovej teploty nezabratého lopatka a rozdelenie teploty kovového povrchu lopatka pri rôznej hrubej obloženia. Je zretné, že keď sa hrubka obloženia neustále zvyšuje, postupne klesá teplota kovového povrchu lopatka, a zákonitosť rozdelenia teploty kovového povrchu lopatka pri rôznych hrubkách je zásadne rovnaká – v strede tlakového povrchu je nižšia teplota a na špičke lopatka vyššia. Špička lopatka je obvykle najťažšou časťou celého lopatka na ochladzenie, a rebríky na špičke lopatka sú ťažko priamo ochladzované studeným vzduchom. V počtovom modeli pokrýva obloženie len povrch tela lopatka, a špička lopatka nie je pokrytá obložením. Neexistuje žiadny bariérny efekt na teplo z gásovej strany špičky lopatka, preto vysokoteplá oblasť na špičke lopatka stále existuje.

Obrázok 8 ukazuje krivku priemerné teploty povrchu kovovej laloky v závislosti na hrúbke. Je vidieť, že priemerná teplota povrchu kovovej laloky klesá s nárastom hrúbky nátieru. Dôvodom je nízka tepelná vodivosť tepelnej bariérnej vrstvy, ktorá zvýši tepelnú odpornost medzi vysokohtným plynom a kovovou lalokou, čo efektívne zníži teplotu povrchu kovovej laloky. Keď je hrúbka nátieru 0,05 mm, priemerná teplota tela laloky klesne o 21 °C, a potom s nárastom hrúbky tepelnej bariérnej vrstvy sa ďalej zníži teplota povrchu laloky; keď je hrúbka nátieru 0,20 mm, priemerná teplota tela laloky klesne o 49 °C. To je zásadne v súlade s tepelnou izolačnou účinnosťou merača zmierňujúcich efektov, ktorú merali Zhang Zhiqiang a spol. cez testy chladného efektu.

Obrázok 9 je krivka, ktorá ukazuje zmenu povrchovej teploty časti lopatky podľa axiálnej dĺžky struny. Z obrázka 9 je vidieť, že pri rôznych hrúbkach teplových bariérnych nátierov je trend zmeny teploty podľa axiálnej dĺžky struny zásadne rovnaký a teplota vysávacej plochy je významne vyššia ako teplota tlačnej plochy. V smere axiálnej dĺžky struny sa teplota tlačnej a vysávacej plochy najprv zníži a potom narastie, pričom v oblasti koncovky sa objavuje istá fluktuácia, ktorá je spôsobená štrukturálnou formou rozdeleného prúdenia chladenia v strede koncovky. Zároveň sa teplota lopatky s teplovým bariérovym nátierom významne snížila a pokles teploty na vysávacej ploche je významne väčší ako na tlačnej ploche. Pokles teploty postupne klesá od predných hrán po koncovky a čím bližšie k prednej hrane lopatky, tým väčší je pokles teploty.

Jednotnosť teploty kovu lopatky ovplyvňuje úroveň tepelneho stresu lopatky, preto tento článok používa index jednotnosti teploty na meranie jednotnosti teploty pevnej lopatky. Index jednotnosti teploty:

Kde: c je objem jednotlivých jednotiek, T- je priemerná teplota objemu T, Tc je hodnota teploty v sieťovej jednotke a Vc je objem sieťovej jednotky. Ak je objemové rozdelenie teploty rovnomerne, index objemovej jednotnosti je 1. Z obrázka 10 je vidieť, že po aplikácii teplovej bariérnej nátierky sa významne zlepšila jednotnosť teploty lopatky. Keď je hrúbka nátierky 0,2 mm, zvýši sa index jednotnosti teploty lopatky o 0,4 %.

2.2 Teplota povrchu nátierky

Zmena teploty povrchu nátieru je znázornená na obrázku 11. Zo schémy 11 je vidieť, že s nárastom hrúbky nátieru sa neustále zvyšuje povrchová teplota teplovej bariéry, čo je presne opak priemerného trendu zmeny teploty povrchu lopatky. S nárastom teplovej odpornosti v smere hrúbky nátieru sa postupne zvyšuje rozdiel teplôt medzi povrchom nátieru a povrchom lopatky, a hromadená teplo na povrchu sa stáva ťažšie difundovať do kovovej lopatky. Keď je hrúbka nátieru 0,20 mm, rozdiel teplôt medzi vonkajším a vnútorným povrchom nátieru dosahuje 86 °C.

2.3 Teplota krížového rezu lopatky

Obrázok 12 ukazuje rozdelenie teploty na vedúcej a záberajúcej hrane lopatiek s a bez teplovej bariéry. Po napatrení povrchu teplovou bariérou sa významne zníži teplota prierezu lopatky a zmierňuje sa teplotný gradient. To je spôsobené tým, že po aplikácii teplovej bariéry sa zníži hustota teplotného toku v oblohe. Zároveň, keďže materiál teplovej bariéry má nízku tepelnú vodivosť, sú zmeny teploty vnútri pevných častí teplovej bariéry veľmi drastické.

Kontaktujte nás

Ďakujeme za záujem o našu spoločnosť! Jako profesionálna spoločnosť na výrobu častí plynových turbin sa budeme ďalej venovať technologickému inovovaniu a vylepšovaniu služieb, aby sme poskytovali viac kvalitných riešení pre zákazníkov po celom svete. Ak máte akékoľvek otázky, návrhy alebo záujem o spoluprácu, rádi vám pomôžeme. Kontaktujte nás nasledujúcimi spôsobmi:

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