Istraživanje uticaja mehanizma toplinske barijerske oblake na hlađenje turbininih lopatica određenog tipa plinske turbine

Da bi se dobilo efekat termičke izolacije i zakonitost raspodele temperature na termodinamičkom pregradnom sloju na turbinim listovima, korišćen je određeni tip plinske turbine visokotisne turbine pokretne liste sa unutrašnjom hlađenjskom strukturom kao osnovni model. Hlađenje visokotisne pokretne liste sa ili bez zaštite termodinamičkim pregradnim slojem je numerički izračunato metodom gasno-termičkog kopljanja, a uticaj termodinamičkog pregradnog sloja na prenos topline na listu je istraživan promenom debljine termodinamičkog pregradnog sloja. Istraživanje je pronašlo da nakon oblaganja termodinamičkim pregradnim slojem, temperatura liste znatno pada, što je bliže prednjem ivanju, veći je spust temperature, a spust temperature na pritisnom stranu je veći nego na suši strani; termodinamičko pregradno slojevi debljine 0,05-0,2 mm mogu smanjiti prosečnu temperaturu metalne površine liste za 21-49 ℃; kako se povećava debljina sloja, raspodela temperature unutar metalne liste će postati jednolijevija.

U razvoju plinskih turbine, kako bi se poboljšala snaga i termička efikasnost motora, porastao je i ulazna temperatura turbine. Lopatica turbine je izložena uticaju visokotemperaturne plinove. Kada ulazna temperatura turbine nastavi da raste, vazdušno hlađenje samo više ne može da ispoštuje zahteve. Termički barijerski oblogovi, kao učinkovito sredstvo za povećanje otpornosti materijala na visoke temperature i koroziju, sve više se primenjuju.

Termičke barijerske obloge su općenito pričvršćene na površinu lopatica plazmom ili elektronskim zrakom. One imaju karakteristike visoke točke taljenja i otpornosti na termički šok, što može poboljšati sposobnost turbine da otpere oksidaciji i termičkoj koroziji, smanjiti temperaturu lopatica i produžiti njihov radni život. Alizadeh i saradnici su proučavali termički izolacioni efekat 0,2 mm termičke barijerske oblike pomoću numeričkog simuliranja sa gasno-termičkom koplacijom. Rezultati su pokazali da se maksimalna temperatura lopatica smanjuje za 19 K, a prosječna temperatura za 34 K. Prapamonthon i saradnici su proučavali uticaj intenziteta turbulentnosti na efikasnost hlađenja lopatica sa termičkom barijerskom omotom. Rezultati su pokazali da termičke barijerske oblike mogu povećati ukupnu efikasnost hlađenja površine lopatica za 16% do 20%, a za 8% na zadnjem rubu lopatica. Zhu Jian i saradnici su uspostavili jednodimenzioni stacionarni model za lopate sa omotom iz termodinamičkog aspekta i teorijski su analizirali i izračunali termički izolacioni efekat termičkih barijerskih omota. Shi Li i saradnici su provedeni numerički proučavali C3X sa termičkom barijerskom omotom. Ceramski sloj od 0,3 mm može smanjiti temperaturu površine lopatica za 72,6 K i povećati ukupnu efikasnost hlađenja za 6,5%. Termička barijerska omotka nema uticaja na raspodelu efikasnosti hlađenja površine lopatica. Zhou Hongru i saradnici su provedeni numerički proučavali vodeći deo turbine sa termičkom barijerskom omotom. Rezultati su pokazali da termičke barijerske omote ne samo što mogu smanjiti radnu temperaturu metale lopatica i temperaturni gradijent unutar lopatica, već i otpere termičkom udaru ulaznih toplih tačaka u određenoj meri. Yang Xiaoguang i saradnici su izračunali dvodimenzionalnu distribuciju temperature i napona vodića sa termičkom barijerskom omotom dajući koeficijente prenosa topline unutrašnje i spoljne površine lopatica. Wang Liping i saradnici su provedili trodimenzionalnu gasno-termičku koplaciju na vodiće turbine sa složenim strukturama hlađenja i proučavali uticaje debljine omota i radijacije plina na temperaturno polje omota. Liu Jianhua i saradnici su analizirali termički izolacioni efekat termičkih barijerskih omota za Mark II hladi lopate sa višeslojnim termičkim barijerskim omotima postavljajući unutrašnji koeficijent prenosa topline i spoljnju gasno-termičku koplaciju.

1.Metod izračunavanja

1.1Računski model

Termički barijersko prekrivanje se nalazi između visokotemperaturne plinove i površine aluminijumske legure lopasti, a sastoji se od metalkog veznog sloja i termički izolacionog keramičkog sloja. Njegova osnovna struktura je prikazana na Slici 1. Prilikom konstruisanja modela za izračunavanje, ignoriše se vezni sloj sa višom teploprovodnošću u strukturi termičkog barijera, uzimajući u obzir samo keramički sloj sa nižom teploprovodnošću koji ima termičku izolaciju.

Slika 2 prikazuje model lopaticе nakon što je obučena termičkom barijerom. Lopatica sadrži višekanalnu rotacionu hladnjaku, sa dva ispušna filmna hladića na prednjem ivi, sredinom šupljivom strukturom na zadnjem ivi i H-obližnjom šupljivom strukturom na vrhu lopaticе. Termička barijera se sprema samo na telo lopaticе i površinu donje ploče. Budući da je temperatura ispod korene lopaticе niska i nije fokus istraživanja, kako bi se smanjio broj računskih mreža, deo ispod korijena se zanemaruje prilikom postavljanja računskog modela, a konstruisa se računski domen model koji je prikazan na slici 3.

1.2Numerička metoda računanja

Unutrašnja geometrija hlađenja turbinog lopatica je relativno složena, te je teško koristiti strukture mreže. Korišćenje nestrukturisanih mreža značajno povećava količinu računanja. U ovom smislu, ovaj rad koristi polihedrični generatore mreže za pravljenje mreže lopatice i plinovitog domena. Modeliranje mreže, model mreže prikazan je na slici 4.

U modelu izračunavanja, debljina toplinske barierce je ekstremno mala, manja od 1/10 debljine zida lopatice. Zbog toga, ovaj rad koristi generator tankih mreža da podeli toplinsku barieru u tri sloja poligonalnih prismatičkih mreža. Broj slojeva tankih mreža je verifikovan kao nezavisno, a broj slojeva tankih mreža skoro nema uticaja na temperaturno polje lopatice.

Domena tekućine koristi Realizabilni K-Epsilon Dvije-Slojevi model u Reynolds-ovim prosječnim Navier-Stokes jednačinama (RANS) turbulencne modele. Ovaj model pruža veću fleksibilnost za obradu mreže cijelog y+ zida. On može ne samo dobro rukovati s finim mrežama (to jest, niskog broja Rejnoldsa ili niske y+ mreže), već i srednje mreže (to jest, 1＜y+＜30) na najtačniji način, što efektivno može uravnotežiti stabilnost, računsku cijenu i tačnost.

1.3Granichni uslovi

Ulaz za plin je podešen kao ulaz totalnog pritiska sa stanjem stagnacije, ulaz za hladnjaci je podešen kao ulaz s masnim protokom, a izlaz je podešen kao izlaz statičkog pritiska. Površina obloga u plinskom kanalu je podešena kao površina fluid-solid kopljanja, oblog i metalna površina lopatica su podešene kao čvrst interfejs, a obe strane kanala su podešene kao rotacioni period. Plin i hladni plin su idealni plinovi, a toplinska kapaciteta i teploprovodnost plina su podešene prema Sutherlandskoj formuli. Odgovarajuće granichne uslove su: totalni pritisak glavnog ulaza plinske cijevi iznosi 2,5 MPa, distribucija ulazne temperature sa radialnim temperaturnim gradijentom prikazana je na slici 5, protok hladnog plina na ulazu hladnog kanala lopate je 45 g/s, ukupna temperatura iznosi 540 ℃, a izlazni pritisak je 0,9 MPa. Materijal lopate je nikl-temeljni jednocraki visokotemperaturni savez, čija je teploprovodnost materijala promenljiva sa temperaturom. U skladu sa postojećim materijalima, topline barjerne oblike općenito koriste stabilne materijale zirkonijum-oksidita (YSZ) ili zirkonijum-oksid (ZrO2), čija je teploprovodnost malo promenljiva sa temperaturom, pa je teploprovodnost u izračunima podešena na 1,03 W/(m·K).

2 Analiza rezultata računanja

2.1 Temperatura površine lopati

Slicice 6 i 7 prikazuju raspodelu temperatur na površini neoblaganog lopatica i metalnu temperaturnu raspodelu na površini lopatica za različite debljine oblage, redom. Može se primetiti da se s nastavkom povećanja debljine oblage, temperatura metalne površine lopatica postepeno smanjuje, a zakonitost temperaturne raspodele na metalnoj površini lopatica za različite debljine je uglavnom ista: temperatura u sredini pritisne strane je niža, dok je temperatura na vrhu lopatica viša. Vrh lopatica je obično najteže hladljiv deo celog lopatica, a rebrina na vrhu lopatica su teško direktno hladiti hladnim zrakom. U računskom modelu, obloga pokriva samo površinu tela lopatica, a vrh lopatica nije pokriven oblogom. Ne postoji barijeran uticaj na vrelo sa gasovne strane vrha lopatica, pa stoga visokotemperaturna zona na vrhu lopatica uvijek postoji.

Slika 8 prikazuje krivulju promene prosečne temperature površine metalnog lopa utoljini sa debljinom. Može se primetiti da prosečna temperatura površine metalnog lopa pada sa povećanjem debljine obloga. To je zato što je teploprovodnost toplinske barijerske obline niska, što povećava toplinsku otpornost između visokotemperaturne plinove i metalnog lopa, učinkovito smanjujući temperaturu površine metalnog lopa. Kada je debljina obloga 0,05 mm, prosečna temperatura tela lopa pada za 21 °C, a zatim, sa povećanjem debljine toplinske barijerske obline, temperatura površine lopa nastavlja da pada; kada je debljina obloga 0,20 mm, prosečna temperatura tela lopa pada za 49 °C. To je uglavnom u skladu sa termoizolacionim efektom merenim od strane Zhang Zhiqiang i saradnika kroz hladnu efektivnost testiranja.

Slika 9 je kriva koja prikazuje promenu temperaturе površine preseka lопasti duž aksijalne duljine tetive. Kao što je vidljivo iz Slike 9, pri različitim debljinama termičkih barijernih obloga, trend promene temperature duž aksijalne duljine tetive je uglavnom isti, i temperatura sa strane zaćupljenja je značajno viša od temperature sa strane pritiska. U smjeru aksijalne duljine tetive, temperatura sa strane pritiska i zaćupljenja prvo opada, a zatim raste, i postoji određena fluktuacija u području zadnjeg ruba, što je uzrokovano strukturnom formom podeljene špalt sprajt hlađenja u sredini zadnjeg ruba. Isto vremе, temperatura lопasti obložene termičkom barijerom se značajno smanjuje, a smanjenje temperature na strani zaćupljenja je značajno veće od smanjenja na strani pritiska. Smanjenje temperature postepeno opada od prednjeg ka zadnjem rubu, a čim bliže je prednji rub lопasti, veće je smanjenje temperature.

Jednakost temperature kovine lopatica utiče na nivo termalnog stresa lopate, pa ovaj članak koristi indeks jednolikosti temperature da bi merio jednakost temperature čvrste lopate. Indeks jednolikosti temperature:

Gde: c predstavlja zapreminu svake jedinice, T- je prosечно zapreminski iznos temperature T, Tc je vrednost temperature u mrežnoj jedinici, a Vc je zapremina mrežne jedinice. Ako se polje zaprine temperature ravnomerno raspoređuje, indeks jednolikosti zaprine je 1. Kao što je vidljivo iz Slike 10, nakon špricanja toplinske barijerske omotnice, jednakost temperature lopate se značajno poboljšava. Kada debljina omotnice bude 0.2 mm, indeks jednakosti temperature lopate se povećava za 0.4%.

2.2 Temperatura površine omotnice

Promena temperature površine obloga prikazana je na slici 11. Kao što se vidi iz slike 11, sa povećanjem debljine obloga, temperatura površine toplinske barijerske obloge neprestano raste, što je tačno suprotno prosječnom trendu promene temperature površine lopatica. Sa povećanjem toplinskog otpora u smjeru debljine obloga, razlika u temperaturi između površine obloga i površine lopatica postepeno raste, a nakupljeni toploti na površini postaje teže rasuti do metalne lopatice. Kada je debljina obloga 0,20 mm, razlika u temperaturi između unutrašnjosti i spoljnje strane obloga dostiže 86 °C.

2.3 Temperatura presjeka lopatica

Slika 12 prikazuje raspodelu temperature na vodećim i sledećim ivicama lopatica sa i bez termičkih barijerskih obloga. Nakon što se površina obloži termičkim barijerama, meridijonalna temperatura lopate se značajno smanjuje, a temperaturni gradijent se olakšava. To je zato što nakon primene termičke barijere, gustoća topline u oblogu se smanjuje. Isto tako, budući da materijal termičke barijere ima nisku teplotnu provodljivost, promene temperature unutar čvrstog tela termičke barijere su vrlo drastične.

Kontaktirajte nas

Hvala vam što ste pokazali interes za našu kompaniju! Kao profesionalna tvrtka za proizvodnju dijelova plinove turbine nastavit ćemo se brinuti o inovacijama u tehnologiji i poboljšanju usluga kako bismo pružili još više kvalitetnih rješenja kupcima širom svijeta. Ako imate bilo kakva pitanja, predloge ili namjeru suradnje, svesno ćemo vam pomoći. Molimo vas da nas kontaktirate na sljedeće načine:

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