Напредак истраживања и тренд развоја гасних турбина за тешке услове рада и њихових термичких баријера (4)

Ključne osobine toplinske barijanske oblice plinske turbine

Zbog toga što rada těžak plinski turbini na zemlji obično je u složenom okruženju, a ciklus održavanja je dug, može biti i do 50.000 sati. Stoga, kako bismo poboljšali tehnologiju toplinskih barijernih revetura za plinske turbine i produžili životnu dobu ovih revetura, u poslednjih godina istraživači su izveli mnogo istraživanja o ključnim osobinama toplinskih barijernih revetura, kao što su termičko izolovanje, otpornost na oksidaciju, otpornost na toplinske šokove i otpornost na CMAS koroziju. Među njima, istraživanja i napretak u vezi sa termičkom izolacijom, otpornosti na oksidaciju i otpornosti na toplinske šokove su relativno dobro utemeljena, ali otpornost na CMAS koroziju je relativno retka. U isto vreme, CMAS korozijski postaje glavni režim kvara kod toplinskih barijernih revetura, sprečavajući razvoj sledeće generacije visoko performantnih plinskih turbine. Stoga, ovaj deo prvo kratko predstavlja termičku izolaciju, otpornost na oksidaciju i otpornost na toplinske šokove kod toplinskih barijernih revetura, a zatim se fokusira na istraživanja napretka mehanizma CMAS korozijske i tehnologije zaštite toplinskih barijernih revetura u četvrtom delu.

Svojstvo topline izolacije

Sa razvojem industrije, visokoefikasni plinski turbine postavljaju viša zahteva za temperaturu ulazne turbine. Zbog toga je vrlo važno poboljšati toplinsku izolaciju tepskog barijera obloga. Toplinska izolacija tepskog barijera obloga povezana je sa materijalom, strukturom i procesom pripreme obloga. Pored toga, radna sredina tepskog barijera obloga takođe će uticati na njegovu performansu u vezi sa toplinskom izolacijom.

Термичка проводљивост се општо користи као индекс оцене термичке изолације термичких барјера. Лиу Янкван и други [48] припремили су покривач 2 мол.% Eu3+ додатог YSZ са АПС, и упоредили га са YSZ покривачем, резултати су показали да је термичка проводљивост покривача са 2 мол.% Eu3+ додатим YSZ-ом нижа, то јест, термичка изолација покривача са 2 мол.% Eu3+ додатим YSZ-ом је боља. Пронађено је да просторне и геометријске карактеристике пора у покривачу имају велику утицај на термичку проводљивост [49]. Сун и други [50] су извршили упоредну студију термичке проводљивости и еластичног модула термичких барјера са различитим порним структурама. Резултати показују да се термичка проводљивост и еластични модул термичке барјере смањују са смањивањем величине пора, а виша порозност доводи до нижег нивоа термичке проводљивости. Велики број истраживања је показао да АПС покривач има бољу термичку изолацију у односу на ЕБ-ПВД покривач, јер АПС покривач има већу порозност и нижу термичку проводљивост [51]. Ратцер-Шајбе и други [52] су истраживали утицај дефинисане толшине ЕБ-ПВД PYSZ покривача на термичку проводљивост, и резултати су показали да толшина покривача ЕБ-ПВД PYSZ значајно утиче на његову термичку проводљивост, што значи да је толшина покривача један од важних фактора који утичу на перформансе термичке изолације термичке барјере. Истраживачки резултати Гонга Каишинга и других [53] такође показују да је перформанса термичке изолације покривача пропорционална његовој толшини и разлици температуре у окружини у реалном применском опсегу толшине покривача. Иако се перформансе термичке изолације термичке барјере побољшавају са повећањем толшине, када се толшина покривача настави повећавати до одређене вредности, лакше се може појавити концентрација напона у покривачу, што води до ранијег неуспеха. Због тога, за побољшање перформанси термичке изолације покривача и продужење његовог временског трајања, треба рационално регулирати толшину покривача.

otpornost na oksidaciju

Pod uslovima visokotemperaturne oksidacije, lako se formira sloj TGO u toplinskoj barijeri kože. Uticaj TGO-a na toplinsku barijersku kožu [54] ima dva aspekta: S jedne strane, obrazovani TGO može sprečiti difuziju kiseonika unutra i smanjiti spoljašnji uticaj na oksidaciju alijansa matrice. S druge strane, uz neprekidno debljanje TGO, zbog njegove velike elastične modul i velikog razlike između njegovog koeficijenta termodilatacije i leplive slojeve, takođe je relativno lako da nastane veliki napon tijekom hlađenja, što će uzrokovati brzo odstupanje sloja. Zbog toga, kako bi se produžio život toplinske barijerske kože, neophodno je poboljšati otpornost na oksidaciju kože.

XIE i saradnici [55] su proučavali formiranje i rast ponašanja TGO, što je glavno bilo podjeljeno u dva faza: prvo, gusti α -Al2O3 филм је образовао на везном слоју, а затим је се обrazil порозан мешовити оксид између цементног слоја и α -Al2O3. Резултати показују да је главна твар која узрочује треске у термичком барјерном покривању порозан мешовити оксид у TGO, не α -Al2O3. LIU i saradnici [56] su predložili poboljšanu metodu za simulaciju brzine rasta TGO kroz numeričku analizu evolucije napetosti u dva faza, kako bi se tačno predviđao životni vek toplinske izolacione omotnice. Stoga, debljina TGO može biti učinkovito kontrolisana kontrolom brzine rasta štetnih poroznih mešovitih oksida, kako bi se izbegla prematura neuspeha toplinske izolacione omotnice. Rezultati pokazuju da se rast TGO može zakačiti koristeći dvojnu keramičku toplinsku izolacionu omotnicu, deposiciju zaštitnog sloja na površini omotnice i povećanjem gustine površine omotnice, a otpornost na oksidaciju omotnice može biti poboljšana do određene mere. AN i saradnici [57] su koristili APS tehnologiju za pripremu dve vrste toplinskih izolacionih omotnica: formiranje i rast ponašanja TGO su proučavani kroz izoteramske oksidacione teste na 1 100 ℃ . Prvi je dvojni keramički pregradni oblog od YAG/YSZ (DCL TBC), a drugi jednostruki keramički pregradni oblog od YSZ (SCL TBC). Rezultati istraživanja pokazuju da proces formiranja i rasta TGO sledi zakonitosti termodinamike, kao što je prikazano na slici 5: Prema formulama (1) ~ (8), prvo se formira Al2O3, a zatim se oksidacija Y iona izvodi u ekstremno tanju sloju Y2O3 na površini Al2O3 TGO, a ova dva reaguju međusobno da bi se formirao Y3Al5O12. Kada se Al ion smanji do određene vrednosti, drugi metalni elementi u sloju vezivanja se oksidiraju prije i posle, formirajući mešovite okside (Cr2O3, CoO, NiO i spinel okside itd.), najpre formirajući Cr2O3, CoO, NiO, a zatim reaguju sa (Ni, Co) O i Al2O3 da bi se formirao (Ni, Co) Al2O4. (Ni, Co) O reaguje sa Cr2O3 da bi se formirao (Ni, Co) Al2O4. U poređenju sa SCL TBC, brzina formiranja i rasta TGO-a u DCL TBC je spore, pa ima bolje visoko temperaturne antioksidativne osobine. Xu Shiming i saradnici [58] su koristili magnetronske špajtering da bi napravili film na površini obloga od 7YSZ. Nakon toplinske obrade, α -Al2O3 slojev je generisan reakcijom in-situ. Istraživanje je pokazalo da α -Al2O3 sloj koji se formira na površini obloga može poboljšati otpornost obloga na oksidaciju sprečavanjem difuzije jonova kiseonika. FENG i saradnici [59] su pokazali da laser nove topljenje površine APS YSZ obloga može poboljšati otpornost na oksidaciju, glavno zato što laser nove topljenje može poboljšati gustinu obloga, time kašnjajući rast TGO.

Otpornost na termičke šokove

Kada su komponente topnog kraja teških plinskih turbine u upotrebi u visoko temperaturnom okruženju, često patuju od termičkog šoka uzrokanog brzim promenama temperature. Stoga se alijanske delove mogu zaštititi poboljšanjem otpornosti na termički šok teploizolacione omotine. Otpornost na termički šok teploizolacione omotine opšte se testira termičkim ciklusa (termički šok) testom, prvo zadržava se na visokoj temperaturi neko vreme, a zatim se uklanja za hlađenje vazduhom/vodom što predstavlja jedan termički ciklus. Otpornost na termički šok teploizolacione omotine se procenjuje uspoređivanjem broja termičkih ciklusa kojima je omotina podvrgnuta prije nego što dođe do oštećenja. Istraživanja su pokazala da je otpornost na termički šok gradijentne strukture teploizolacione omotine bolja, glavno zato što je debljina gradijentne strukture teploizolacione omotine manja, što može zakačiti termički napor unutar omotine [60]. ZHANG i saradnici [61] su izveli termičke cikluse ispite pri 1 000 ℃ na tri oblika točkastog, prugovitog i rešetkastog termičkog barijernog obloga dobijenih laser remelting-om NiCrAlY / 7YSZ termičkog barijernog obloga, a zatim su proučili otpornost na termički šok za spremljene uzorke i tri uzorka sa različitim oblicima nakon laser obrade. Rezultati pokazuju da uzorak u obliku tačke ima najbolju otpornost na termički šok i da je životni vek termičkog ciklusa dva puta duži od spremljenog uzorka. Međutim, otpornost na termički šok uzoraka u obliku pruge i rešetke je lošija od otpornosti spremljenih uzoraka, kao što je prikazano na slici 6. U daljem, mnoge studije su pokazale da neki novi materijali za oblove imaju dobru otpornost na termički šok, kao što je SrAl12O19 [62] predložen od strane ZHOU i drugi, LaMgAl11O19 [63] predložen od strane LIU i drugi, i Sm2 (Zr0.7Ce0.3) 2O7 [64] predložen od strane HUO i drugi. Stoga, kako bi se poboljšala otpornost na termički šok termičkog barijernog obloga, osim dizajna i optimizacije oblova, moguće je pronaći i razviti nove materijale sa dobroj otpornošću na termički šok.