Studija vplivskega mehanizma toplotnega varnostnega obleganja na hlajenje turbinskih listov določene vrste plinske turbine

Za pridobitev učinka termične izolacije in zakona porazdelitve temperature na termični barjeri na klinih je bil uporabljen določen tip visokega tlaka gasevne turbine z notranjo hladilno strukturo kot osnovni model. Hladilni učinek gibanja klina visokega tlaka turbine je bil številsko izračunan s pomočjo metode termodinamičnega povezovanja plinov, pri čemer je bilo preučeno vpliv termične barjere na toplotno prenos med klinom z varstvom termične barjere in brez nje. S spremembo debeline termične barjere je bilo raziskano vpliv na toplotni prenos. Raziskava je pokazala, da po uporabi termične barjere temperatura klinov znatno upade, kar je bližje prednjemu robu, večji je padec temperature, in da je padec temperature na pritiskni strani večji kot na suši strani; termična barjera debeline 0,05-0,2 mm lahko zmanjša povprečno temperaturo metalne površine klina za 21-49 ℃; s povečevanjem debeline revrizacije bo porazdelitev temperature znotraj metalne strukture klina postala bolj enakomerna.

V razvoju plinskih turbine, da bi se izboljšala moč in toplinski učinkovitost motornika, se tudi vhodna temperatura turbine povečuje. Turbinske listve so pod vplivom udarja visoko temperaturnega plina. Ko se vhodna temperatura turbine nadaljuje z naraščanjem, ne more več zadoščiti le zrakno hladjenje. Toplotne preprečne otopine, kot učinkovito sredstvo za izboljšanje upor耐e proti visokim temperaturam in korozijski odpor materiala, se vedno več uporabljajo.

Termične pregradne revrizije so splošno prilepljene na površino žarka z plazmenskim spricanjem ali elektronskim lucciščim nanašanjem. Imajo lastnosti visoke točke taljenja in upornosti proti termičnemu šokiranju, kar lahko poveča sposobnost žarkov turbine, da se upreti oksidaciji in termični koroziiji, zmanjša temperaturo žarkov in podalje življenjsko dobo žarkov. Alizadeh in sodelavci so raziskali termično izolacijski učinek 0,2 mm termičnih pregradnih revrizij s pomočjo numerične simulacije z vezavo plinovitost-toplota. Rezultati so pokazali, da je bila maksimalna temperatura žarka zmanjšana za 19 K, povprečna pa za 34 K. Prapamonthon in sodelavci so raziskali vpliv intenzitete turbulentnosti na hladilno učinkovitost žarkov s termičnimi pregradnimi revrizijami. Rezultati so pokazali, da lahko termične pregradne revrizije povečajo skupno hladilno učinkovitost površine žarka za 16% do 20% in za 8% na zadnjem robu žarka. Zhu Jian in sodelavci so vzpostavili enodimenzijski postojni model za žarke s revrizijo s stališča termodinamike in teoretično analizirali in izračunali termično izolacijski učinek termičnih pregradnih revrizij. Shi Li in sodelavci so izvedli numerično študijo C3X s termičnimi pregradnimi revrizijami. 0,3 mm keramična plast lahko zmanjša temperaturo površine žarka za 72,6 K in poveča skupno hladilno učinkovitost za 6,5%. Termična pregradna revrizija nima vpliva na porazdelitev hladilne učinkovitosti površine žarka. Zhou Hongru in sodelavci so izvedli numerično študijo vodilnih robov turbine s termičnimi pregradnimi revrizijami. Rezultati so pokazali, da lahko termične pregradne revrizije ne le zmanjšajo delovno temperaturo metalnih žarkov in temperaturno gradiento znotraj žarkov, ampak tudi upore navidezno termičnemu šokiranju vhodnih toplogib. Yang Xiaoguang in sodelavci so izračunali dvodimenzijsko porazdelitev temperature in napetosti vodičev s termičnimi pregradnimi revrizijami z dano toplotno prevodnostjo notranjih in zunanji površin žarkov. Wang Liping in sodelavci so izvedli tridimenzionalno analizo plin-toplote z vezavo na vodilne žarke turbine s sestavinami hladilnih struktur in raziskali vpliv debeline revrizije in plinskega sevanja na temperaturno polje revrizije. Liu Jianhua in sodelavci so analizirali termično izolacijski učinek termičnih pregradnih revrizij za Mark II hladne žarke s večplastnimi termičnimi pregradnimi revrizijami z notranjim nastavitvenim koeficientom toplotnega prevoda in zunanjo plin-toploto.

1. Način izračuna

1.1 Izračunski model

Termalna varnostna oplotina se nahaja med visokotemperaturnim plinom in površino substrata loparske legure, sestavlja pa jo kovinski povezovalni plastični sloj in termalno izolacijski keramični sloj. Njegova osnovna struktura je prikazana na Sliki 1. Pri gradnji izračunskega modela se zanemari povezovalni sloj z višjo toplotočnostjo v strukturi termalne varnostne oplotine, hkrati pa ohrani le termalno izolacijski keramični sloj z nižjo toplotočnostjo.

Slika 2 prikazuje model lopatica po oblaganju s toplinsko izolacijskim revrom. Lopatic vsebuje večkanalsko vrtilno hladilno strukturo, z dvema izpuščalnima filmovima hladilnih lukov na vodilni ploskvi, sredinsko škrabno strukturo na zaključni ploskvi in H-običajno žlezno strukturo na vrhu lopatica. Toplinska izolacijska plast je oblagana le na telo lopatica in površino spodnje plošče. Ker je temperatura pod korenom lopatica nizka in ni fokus raziskave, da bi se zmanjšala števila računskih mrež, je del pod korenem ignoriran pri določanju računskega modela, in je ustvarjen računski domenski model, kot je prikazano na sliki 3.

1.2Numerična metoda izračuna

Notranja geometrija hlajenega kota turbine je relativno kompleksna, zato je težko uporabiti strukturirane mreže. Uporaba nestrukturiranih mrež znatno poveča računske zahteve. V tem smislu članek uporablja generator poliedrske mreže za omrežavanje lopatica in domena plina. Model mreže je prikazan na sliki 4.

V modelu izračuna je debelina termičnega pregradnega obleganja ekstremno majhna, manjša kot 1/10 debeline stene lopatica. Zato v tem članku uporabljamo generator tankih mrež za delitev termičnega pregradnega obleganja na tri sloje mnogokotnih prizmatičnih mrež. Neodvisnost števila tankih slojev mreže je bila potrjena, število tankih slojev mreže skoraj ni vpliva na temperaturno polje lopatica.

Območje tekočine uporablja model Realizabilna K-Epsilon Dvokrilni v modelu turbulentnosti Reynoldsaveraged Navier-Stokes enačb (RANS). Ta model ponuja večjo fleksibilnost za obdelovanje mreže celotne y+ stene. Lahko obravnava ne le jemne mreže (tj., tip z nizkimi števili Reynoldsa ali z nizkimi y+ mrežami), ampak tudi medsebojne mreže (tj., 1＜y+＜30) na najtočnejši način, kar učinkovito uravnoteži stabilnost, računske stroške in točnost.

1.3Meje

Vstop plina je določen kot vstop s skupno tlakom stagnacije, hladilni vstop zraka pa kot vstop s točkovnim pretokom, izhod pa je določen kot statični tlak izhoda. Površina napovedi v plinovem kanalu je določena kot površina fluida-solidskega povezovanja, napoved in kovinska površina listve so določene kot pevninski vmesnik, ter sta strani kanala določeni kot rotacijsko obdobje. Obe hladne plinove in plin so idealni plinovi, zažarevost plina in termična prevodnost so določeni s Sutherlandovo formulo. Odgovarjajoče računske meje so: skupni tlak glavnega vhoda v plinovem kanalu je 2,5 MPa, distribucija vhodne temperature z radialnim temperaturnim gradientom je prikazana na Sliki 5, pretok hladnega plina v hladnem kanalu v listvu je 45 g/s, skupna temperatura je 540 °C, in izhodni tlak je 0,9 MPa. Material listve je niklovobazen enokristalni visoko temperaturni splav, katerega termična prevodnost se spreminja z temperaturo. Z obstoječimi materiali so termične barjerske napovedi splošno izdelane iz stabilne itrijske okside zirkonija (YSZ) ali oksida zirkonija (ZrO2), ki se malo spreminjata z temperaturo, zato je termična prevodnost določena na 1,03 W/(m·K) v izračunih.

2 Analiza izračunskih rezultatov

2.1 Temperatura površine žarka

Sliki 6 in 7 prikazujejo porazdelitev površinske temperature nezasvojenega lopatica in porazdelitev metalne površinske temperature lopatica pri različnih debelinah zasvoja. Opazimo, da se s posvejo povečevanjem debeline zasvoja postopoma zmanjša metalna površinska temperatura lopatica, medtem ko je zakonitost temperaturne porazdelitve na metalni površini lopatica pri različnih debelinah praktično enaka: temperatura v sredini pritisne strani je nižja, medtem ko je temperatura na vrhu lopatica višja. Vrh lopatica je običajno najtežja del celotnega lopatica za hladitev, saj so žare na vrhu lopatica težko neposredno hladiti z hladnim zrakom. V izračunskem modelu zasvoj pokrije le površino telesa lopatica, vrh pa ni zasvojen. Zato ni barierskega učinka na toploto s plinske strani vrha lopatica, zato pa obstaja vedno visokotemperaturna zona na vrhu lopatica.

Slika 8 prikazuje krivuljo spremembe povprečne temperature metalne površine žarka s debelino. Opazimo, da se povprečna temperatura metalne površine žarka zmanjšuje z povečevanjem debeline obleganja. To je zaradi tega, ker je toplotna prevodnost termičnega varnega obleganja nizka, kar poveča toplotno upornost med visokotemperaturnim plinom in metalnim žarkom, učinkovito zmanjšuje pa tudi temperaturo metalne površine žarka. Ko je debelina obleganja 0,05 mm, se povprečna temperatura telesa žarka zmanjša za 21 °C, nato pa se z povečevanjem debeline termičnega varnega obleganja nadalje zmanjšuje temperatura površine žarka; ko je debelina obleganja 0,20 mm, se povprečna temperatura telesa žarka zmanjša za 49 °C. To je osnovno v skladu z termičnim izolacijskim učinkom, merjenim s hladnim učinkom testa, ki ga je izvedel Zhang Zhiqiang in sodelavci.

Slika 9 prikazuje krivuljo, ki kaže spremembo temperaturo na površini preseka lopatica vzdolž osnovne dolžine tetive. Iz slike 9 je očitno, da je trend spremembe temperature vzdolž osnovne dolžine tetive pod različnimi debelinami toplotnih varnih obložb praktično enak, in da je temperatura vsuševanja značilno višja kot temperatura stranice pritiska. V smeri osnovne dolžine tetive najprej padata temperature stranice pritiska in vsuševanja, nato pa se povečujeta, pri čemer obstaja določena fluktuacija v območju zadnjega roba, ki jo povzroči strukturna oblika delitev spritz-hlajenje v sredini zadnjega roba. Hkrati se temperatura lopatica s toplotnim varnim obložjem značilno zmanjša, in je zmanjšanje temperature na strani vsuševanja značilno večje kot na strani pritiska. Zmanjšanje temperature postopoma pada od prednjega roba do zadnjega roba, in čim bližje je prednjemu robu lopatica, tem večje je zmanjšanje temperature.

Enakomernost temperature kovine žice vpliva na ravno napetostni pojas žice, zato ta članek uporablja indeks enakomernosti temperature za merjenje enakomernosti temperature trdne žice. Indeks enakomernosti temperature:

Kjer: c je prostornina vsake enote, T- je prostorninski povprečje temperature T, Tc je vrednost temperature v mrežni enoti, in Vc je prostornina mrežne enote. Če je prostorninski temperaturni polj enakomer no razporejen, je indeks prostorske enakomernosti 1. Iz slike 10 je očitno, da se po izpirjanju toplega varnega obloga znatno izboljša enakomernost temperature žice. Ko je debelina obloga 0.2 mm, se poveča indeks enakomernosti temperature žice za 0.4%.

2.2 Temperatura površine obloga

Sprememba temperature površine oplastitve je prikazana na Sliki 11. Iz Slike 11 je razvidno, da se z povečanjem debeline oplastitve nadaljuje tudi povečanje temperature površine toplinskega varnega oplasti, kar je natanko nasprotno povprečni trend spremembe temperature površine žice. Z povečanjem toplinske uporne v smeri debeline oplastitve se postopek temperature med površino oplastitve in površino žice postaja večji, kar pomeni, da se nagomiljena toplota na površini težje razseže do metalne žice. Ko je debelina oplastitve 0,20 mm, doseže razlika temperature med notranjostjo in zunanjo stranjo oplastitve 86 °C.

2.3 Temperatura prerezov žice

Slika 12 prikazuje porazdelitev temperature robov čepev pred in za ter z ter brez toplotnih varnostnih obeh. Po tem, ko je površina obložena s toplotnimi varnostnimi obeh, se znatno zmanjša temperaturna porazdelitev v preseku čeplja, hkrati pa se utopi tudi temperaturni gradient. To je zaradi tega, ker se po uporabi toplotnega varnega obeh zmanjša gostota toplotnega toka v obeh. Hkrati, saj ima material toplotnega varnega obeh nizko toplotno prevodnost, so spremembe temperature znotraj pevnega toplotnega varnega obeh zelo dramatične.

Kontaktirajte nas

Hvala vam za vaše zanimanje za našo podjetje! Kot strokovno proizvajalo delovnih dielov plinske turbine bomo nadaljevali s posvetovanjem na tehnično inovacijo in izboljšanje storitev, da bomo lahko ponudili še več visokokakovostnih rešitev zaštevilnim strankam po vsem svetu. Če imate katere koli vprašanja, predloge ali namere za sodelovanje, bomo z veseljem pomagali. Prosimo, kontaktirajte nas na sledečih načinah:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
E-pošta: peter@turbineblade.net