Studie av påverkingsmekanismen hos värmefjällsklädnad på kedjnings-effekten av turbinblad av en viss typ av gas-turbin

För att få reda på värmemotskaps-effekten och temperaturfördelningen för termisk barriärbeläggning på turbinblad användes en viss typ av gasTurbinhögtrycksturbinrörligt blad med intern kölingstruktur som grundmodell. Köleffekten hos högtrycks-turbinrörliga blad med eller utan termisk barriärbeläggningsskydd beräknades numeriskt med gas-värmekopplingsmetoden, och inflytandet av termisk barriärbeläggning på bladets värmeöverföring undersöktes genom att ändra tjockleken på termisk barriärbeläggning. Studien fann att efter beläggning med termisk barriärbeläggning sjönk temperaturen på bladet betydligt, ju närmare ledkanten, desto större temperatursänkning, och temperatursänkningen på trycksidan var större än på sugsidan; en termisk barriärbeläggning med en tjocklek på 0,05-0,2 mm kan minska den genomsnittliga temperaturen på bladets metallytas med 21-49 ℃; när beläggningstjockleken ökar blir temperaturfördelningen inuti bladets metall mer jämn.

Vid utvecklingen av gasångare, för att förbättra motorens effekt och termiska effektivitet, ökar även turbinens inflostemperatur. Turbinbladen utsätts för påverkan av högtemperatygas. När turbinens inflostemperatur fortsätter att öka räcker luftkylning längre inte för att uppfylla kraven. Termiska barriärbeläggningar, som ett effektivt sätt att förbättra materialens högtemperaturmotstånd och korrosionsmotstånd, har använts allt mer.

Termiska barriärbeläggningar fästes vanligtvis på bladytan med plasmaflamsparning eller elektronstrålsdeposition. De har egenskaper som hög smältpunkt och motstånd mot termisk chock, vilket kan förbättra turbinbladens förmåga att motstå oxidation och termisk korrosion, minska bladets temperatur och förlänga bladets livslängd. Alizadeh et al. studerade den termiska isoleringseffekten av 0,2 mm tjocka termiska barriärbeläggningar med gas-värme Kopplingsnumerisk simulering. Resultaten visade att bladets maximala temperatur minskade med 19 K och medeltemperatur minskade med 34 K. Prapamonthon et al. studerade effekten av turbulensintensitet på kyl-effektiviteten för termiska barriärbeläggningar på blad. Resultaten visade att termiska barriärbeläggningar kan öka den totala kylingeffektiviteten på bladets yta med 16% till 20% och med 8% vid bladets baksida. Zhu Jian et al. etablerade en endimensionell stationär modell för belagda blad ur ett termodynamiskt perspektiv och teoretiskt analyserade och beräknade den termiska isoleringseffekten av termiska barriärbeläggningar. Shi Li et al. utförde en numerisk studie på C3X med termiska barriärbeläggningar. En 0,3 mm tjock keramiklager kan minska bladets yttemperatur med 72,6 K och öka den totala kylingeffektiviteten med 6,5%. Termiska barriärbeläggningar påverkar inte fördelningen av kylingeffektiviteten på bladets yta. Zhou Hongru et al. utförde en numerisk studie på turbinbladets framsida med termiska barriärbeläggningar. Resultaten visade att termiska barriärbeläggningar inte bara kan minska metallbladens drifttemperatur och temperaturgradienten inom bladen, men också motstå termisk chock från inletshetflecken i viss utsträckning. Yang Xiaoguang et al. beräknade tvådimensionell temperaturfördelning och spänning av vägledningsvinklar med termiska barriärbeläggningar genom att ange värmeöverföringskoefficienterna för bladens inre och yttre ytor. Wang Liping et al. utförde en tredimensionell gas-värme kopplingsanalys på turbinvägledningsvinklar med sammansatta kylningsstrukturer och studerade effekterna av beläggningstillämpning och gasradiation på beläggningens temperaturfält. Liu Jianhua et al. analyserade den termiska isoleringseffekten av termiska barriärbeläggningar för Mark II-kylblad med flerskiktiga termiska barriärbeläggningar genom att internt ställa in värmeöverföringskoefficienten och extern gas-värme koppling.

1.Beräkningsmetod

1.1Beräkningsmodell

Det termiska barriärbeläggningen ligger mellan den högtemperaturiga gasen och ytan av bladalliansubstratet och består av en metallbindningslager och ett termiskt isolerande keramiklager. Dess grundläggande struktur visas i figur 1. När beräkningsmodellen konstrueras ignoreras bindningslagret med högre värmeföring i strukturen för det termiska barriärbeläggningen, och endast det termiskt isolerande keramiklagret med lägre värmeföring bevaras.

Figur 2 visar bladmodellen efter att den har täckts med termisk barriärklädsning. Bladet innehåller en flerkanalig rotationskylad kylstruktur, med två utsläppsfilmkylningshål på föregången kanten, en mittslitstruktur på eftergången kanten och en H-formad grovstruktur på bladets topp. Termiska barriärklädningar sprutkas endast på bladkroppen och nedre kantplatsytan. Eftersom temperaturen under bladrötten är låg och inte är fokus för forskningen, för att minska antalet beräkningsnät, ignoreras delen under roten när beräkningsmodellen ställs in, och beräkningsdomänmodellen som visas i figur 3 konstrueras.

1.2Numerisk beräkningsmetod

Den interna geometrin av turbinens kylblad är relativt komplext, och det är svårt att använda strukturerade nät. Användandet av ostrukturerade nät ökar signifikant beräkningsmängden. I detta avseende använder denna artikel en polyedernätgenerering för att skapa nät för bladet och gasområdet. Nätindelningen, nätmodellen visas i figur 4.

I beräkningsmodellen är tjockleken på den termiska barriärbeläggningslagret extremt liten, mindre än 1/10 av bladväggens tjocklek. Därför använder denna artikel en tunn nätgenerering för att dela in termiska barriärbeläggningslagret i tre lager av polygonala prismatiska nät. Antalet tunna nätlagrar har verifierats som oberoende, och antalet tunna nätlagrar har nästan ingen effekt på bladets temperaturfält.

Flödesdomänen använder Realizable K-Epsilon Two-Layer-modellen i Reynoldsaveraged Navier-Stokes-ekvationerna (RANS) turbulensmodell. Denna modell ger större flexibilitet för nätbehandling av hela y+ väggen. Den kan inte bara hantera fina nät (dvs., låg Reynolds-talstyp eller låg y+ nät) bra, utan också hantera mellannivånät (dvs., 1＜y+＜30) på det mest exakta sättet, vilket kan effektivt balansera stabilitet, beräkningskostnad och noggrannhet.

1.3Gränsvillkor

Gasanslutningen är inställd som en totaltrycksstagnationsinlet, kylanstrången är en massflödesinlet och utgången är inställd som en statisk tryckutgång. Ytan av försäkringen i gaskanalen är inställd som en vätska-soliderkopplingsyta, försäkringen och bladets metallytas är inställda som en solidergränssnitt, och kanalens båda sidor är inställda som en rotationsperiod. Både kallgasen och gasen är idealgaser, och gasens värmekapacitet och termisk ledning är inställda med hjälp av Sutherlands formel. De motsvarande beräkningsgränsvillkoren är: den totala trycket för huvudströmmens inlet i gaskanalen är 2,5 MPa, inletstemperaturens fördelning med radials temperaturgradient visas i figur 5, kallgasflödet för inlets i kallkanalen i bladet är 45 g/s, totaltemperaturen är 540 ℃, och utgångstrycket är 0,9 MPa. Bladets material är ett nikelbaserat enskiktshögtemperaturlegering, och materialets termiska ledningsförmåga ändras med temperatur. Med tanke på befintliga material så använder termiska skyddsslager generellt stabila yttriumzirkonia (YSZ) material eller zirkonia (ZrO2), vars termiska ledningsförmåga ändras lite med temperatur, således att termisk ledning är inställd till 1,03 W/(m·K) i beräkningen.

2 Analys av beräkningsresultat

2.1 Bladytans temperatur

Figurer 6 och 7 visar ytemperaturfördelningen av den oklädda bladet och metallytemperaturfördelningen av bladet vid olika kladdjup, respektive. Det kan ses att när kladdjupet fortsätter att öka, så minskar metallytemperaturen på bladet alltmer, och temperaturfördelningsmönstret för metallytan på bladet vid olika tjocklekar är i stort sett samma: temperaturen mitt på trycksidan är lägre, medan temperaturen vid bladsidan är högre. Bladsidan är vanligtvis den svåraste delen av hela bladet att kyla, och ribbarna vid bladsidan är svåra att kyla direkt med kall luft. I beräkningsmodellen täcker kladden endast bladkroppens yta, och bladsidan är inte täckt av kladd. Det finns ingen barriäreffekt mot värmen från gasen vid bladsidan, så den höga temperaturzonen vid bladsidan existerar fortfarande.

Figur 8 visar kurvan för den genomsnittliga temperaturen på bladets metallytas som ändras med tjockleken. Det kan ses att den genomsnittliga temperaturen på bladets metallytas minskar med ökningen av tjockleken på förlängningen. Anledningen till detta är att termiska ledningsförmågan hos det termiska barrierslagret är låg, vilket ökar termisk motstånd mellan högtempererade gaserna och metallbladet, effektivt reducerar temperaturen på bladets metallytas. När släckertjockleken är 0,05 mm minskar den genomsnittliga temperaturen på bladkroppen med 21 °C, och sedan när tjockleken på det termiska barrierslagret ökar fortsätter temperaturerna på bladytan att minska; när släckertjockleken är 0,20 mm minskar den genomsnittliga temperaturen på bladkroppen med 49 °C. Detta är i stort sett konstant med den termiska isoleringseffekten som mättes av Zhang Zhiqiang et al. genom kall-effektsprovet.

Figur 9 är en kurva som visar förändringen av yttemperaturen på bladsekturen längs axiellakordlängden. Som kan ses av figur 9, under olika tjocklekar av termiska barriärbeläggningar, är temperaturförändrings­trenden längs axiellakordlängden i stort sett densamma, och temperaturen på sugytan är betydligt högre än på tryckytan. I riktning mot axiellakordlängden minskar temperaturen på tryckytan och sugytan först och sedan ökar, och det finns en viss fluktuation i trailningskantområdet, vilket orsakas av strukturen av delad sprutkyling mitt i trailningskanten. Samtidigt sjunker temperaturen på bladet med termisk barriärbeläggning betydligt, och temperatursänkningen på sugytan är betydligt större än på tryckytan. Temperatursänkningen minskar alltmer från leadningskanten till trailningskanten, och ju närmare leadningskanten på bladet, desto större är temperatursänkningen.

Enhetligheten i bladets metalltemperatur påverkar bladets termiska spänningsnivå, så denna artikel använder enhetlighetsindexet för temperatur för att mäta temperaturjämnaheten av det fasta bladet. Temperaturjämnahtsindex:

Där: c är volymen av varje enhet, T- är volymgenomsnittet av temperatur T, Tc är temperaturvärdet i rutnadenheter, och Vc är volymen av rutnadenheten. Om volymtemperatursfältet är jämnt fördelat är volymjämnahtsindexet 1. Som kan ses från figur 10, efter att ha sprayat den termiska barrierlagret, har bladets temperaturjämnahet förbättrats avsevärt. När lagrets tjocklek är 0,2 mm, har temperaturjämnahtsindexet för bladet ökat med 0,4%.

2.2 Lagringsyttemperatur

Temperaturförändringen på mätskivan visas i figur 11. Som framgår av figur 11, när mätskivans tjockleksökning ökar, fortsätter yttemperaturen på värmeskyddsskivan att stiga, vilket är precis motsatsen till den genomsnittliga temperaturförändrings trenden för bladets yta. När termiska motståndet ökar i skivtjockleksriktningen, ökar temperaturen mellan skivytan och bladytan alltmer, och det ackumulerade värmet på ytan blir svårare att spridas till metallbladet. När skivtjockleken är 0,20 mm, når temperatur skillnaden mellan in- och utskiva 86 °C.

2.3 Bladets korsavsnittstemperatur

Figur 12 visar temperaturfördelningen av leder- och efterkantarna av blad med och utan termiska barriärbeläggningar. När ytan är belagd med termiska barriärbeläggningar minskas bladets tvärsnittstemperatur avsevärt, och temperaturgradienten mildras. Det beror på att när den termiska barriärbeläggningen appliceras minskar värmeströmdensiteten i beläggningen. Samtidigt som termiska barriärbeläggningsmaterial har låg termisk ledningseffekt, ändras temperaturen inom termiska barriärbeläggningens fasta material mycket kraftigt.

Kontakta oss

Tack för ditt intresse för vår företag! Som ett professionellt tillverkningsföretag av gasturbinkomponenter fortsätter vi att engagera oss i teknisk innovation och serviceförbättringar för att erbjuda fler högkvalitativa lösningar för våra kunder runt om i världen. Om du har några frågor, förslag eller samarbetsintressen, är vi mer än glada att hjälpa dig. Kontakta oss på följande sätt:

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