การศึกษาเกี่ยวกับกลไกที่ส่งผลของชั้นเคลือบกันความร้อนต่อประสิทธิภาพในการระบายความร้อนของใบพัดเทอร์ไบน์ชนิดหนึ่งของกังหันก๊าซ

เพื่อศึกษาผลของการเก็บความร้อนและความสัมพันธ์ของอุณหภูมิในชั้นเคลือบกันความร้อนบนใบพัดเทอร์ไบน์ แบบจำลองพื้นฐานที่ใช้คือใบพัดเคลื่อนที่ของเทอร์ไบน์แรงดันสูงชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างการระบายความร้อนภายใน โดยวิธีการคำนวณเชิงตัวเลขแบบรวมก๊าซและพลังงานความร้อนถูกนำมาใช้เพื่อเปรียบเทียบผลของการระบายความร้อนของใบพัดเทอร์ไบน์แรงดันสูงที่มีและไม่มีชั้นเคลือบกันความร้อน การเปลี่ยนแปลงความหนาของชั้นเคลือบกันความร้อนถูกนำมาใช้ในการศึกษาผลกระทบต่อการถ่ายโอนความร้อนของใบพัด จากการศึกษานี้พบว่าหลังจากเคลือบด้วยชั้นกันความร้อน อุณหภูมิของใบพัดลดลงอย่างมาก โดยยิ่งใกล้ขอบนำ airflow อุณหภูมิจะลดลงมากขึ้น และอุณหภูมิที่ลดลงด้านแรงดันสูงกว่าด้านดูด ชั้นเคลือบกันความร้อนที่มีความหนา 0.05-0.2 มม. สามารถลดอุณหภูมิเฉลี่ยของผิวโลหะใบพัดได้ 21-49 องศาเซลเซียส เมื่อความหนาของชั้นเคลือบเพิ่มขึ้น การกระจายตัวของอุณหภูมิภายในโลหะใบพัดจะสม่ำเสมอมากขึ้น

ในการพัฒนาเทอร์บินก๊าซ เพื่อปรับปรุงกำลังและประสิทธิภาพทางความร้อนของเครื่องยนต์ อุณหภูมิที่เข้าสู่ใบพัดเทอร์บินก็เพิ่มขึ้นด้วย ใบพัดเทอร์บินจะถูกกระทบโดยก๊าซที่มีอุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิที่เข้าสู่เทอร์บินเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ การระบายความร้อนด้วยอากาศเพียงอย่างเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้อีกแล้ว การเคลือบชั้นกันความร้อน ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความสามารถต้านทานความร้อนและการกัดกร่อนของวัสดุ จึงถูกนำมาใช้งานมากขึ้นเรื่อย ๆ

การเคลือบชั้นกันความร้อนทั่วไปจะถูกยึดติดกับพื้นผิวลำปีกโดยใช้วิธีการพ่นไฟพลาสมาหรือการตกตะกอนด้วยลำแสงอิเล็กตรอน พวกมันมีคุณสมบัติของจุดหลอมเหลวสูงและความต้านทานต่อแรงกระแทกจากความร้อน ซึ่งสามารถเพิ่มความสามารถของใบพัดเทอร์ไบน์ในการต้านทานออกซิเดชันและการกัดกร่อนจากความร้อน ลดอุณหภูมิของใบพัด และขยายอายุการใช้งานของใบพัดได้ อัลลีซาเดห์และคณะได้ศึกษาผลของการกันความร้อนของชั้นเคลือบกันความร้อนหนา 0.2 มม. โดยการจำลองเชิงตัวเลขแบบคูปลิ่งความร้อน-แก๊ส ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิสูงสุดของใบพัดลดลง 19 K และอุณหภูมิเฉลี่ยลดลง 34 K ประปาโมนโทนและคณะได้ศึกษาผลกระทบของความเข้มข้นของความอลวนต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนของใบพัดเคลือบชั้นกันความร้อน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าชั้นเคลือบกันความร้อนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนรวมของพื้นผิวใบพัดได้ 16% ถึง 20% และ 8% ที่ขอบปลายใบพัด จู่เจี้ยนและคณะได้สร้างแบบจำลองเชิงเส้นหนึ่งมิติในสถานะคงที่สำหรับใบพัดที่เคลือบ จากมุมมองทางเทอร์โมไดนามิกส์ และวิเคราะห์และคำนวณผลของการกันความร้อนของชั้นเคลือบกันความร้อนอย่างทฤษฎี สีหลี่และคณะได้ทำการศึกษาเชิงตัวเลขเกี่ยวกับ C3X ที่มีชั้นเคลือบกันความร้อน ชั้นเซรามิกหนา 0.3 มม. สามารถลดอุณหภูมิพื้นผิวใบพัดได้ 72.6 K และเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนรวมได้ 6.5% ชั้นเคลือบกันความร้อนไม่มีผลกระทบต่อการกระจายตัวของประสิทธิภาพการระบายความร้อนบนพื้นผิวใบพัด เจิ้วหงรูและคณะได้ทำการศึกษาเชิงตัวเลขเกี่ยวกับขอบหน้าของใบพัดเทอร์ไบน์ที่เคลือบชั้นกันความร้อน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าชั้นเคลือบกันความร้อนสามารถลดอุณหภูมิการทำงานของใบพัดโลหะและadients อุณหภูมิภายในใบพัดได้ นอกจากนี้ยังสามารถต้านทานแรงกระแทกจากความร้อนของจุดร้อนบริเวณทางเข้าได้ในระดับหนึ่ง หยางเสี่ยวกว่างและคณะได้คำนวณการกระจายตัวของสนามอุณหภูมิสองมิติและแรงดันของแหวนนำที่เคลือบชั้นกันความร้อนโดยกำหนดสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนของพื้นผิวด้านในและด้านนอกของใบพัด หวังลี่ผิงและคณะได้ทำการวิเคราะห์การคูปลิ่งความร้อน-แก๊สสามมิติสำหรับแหวนนำเทอร์ไบน์ที่มีโครงสร้างการระบายความร้อนแบบผสม และศึกษาผลกระทบของความหนาของชั้นเคลือบและรังสีแก๊สต่อสนามอุณหภูมิของชั้นเคลือบ เหลียวเจี้ยนหัวและคณะได้วิเคราะห์ผลของการกันความร้อนของชั้นเคลือบกันความร้อนสำหรับใบพัดระบายความร้อนแบบ Mark II ที่มีชั้นเคลือบกันความร้อนหลายชั้น โดยการกำหนดสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนภายในและคูปลิ่งความร้อน-แก๊สภายนอก

1.วิธีการคำนวณ

1.1 แบบจำลองการคำนวณ

ชั้นเคลือบกันความร้อนตั้งอยู่ระหว่างก๊าซอุณหภูมิสูงและพื้นผิวของโลหะผสมใบพัด และประกอบด้วยชั้นโลหะที่ใช้เชื่อมต่อและชั้นเซรามิกที่กันความร้อน โครงสร้างพื้นฐานแสดงในรูปที่ 1 เมื่อกำหนดแบบจำลองการคำนวณ ชั้นเชื่อมต่อที่มีค่าการนำความร้อนสูงในโครงสร้างชั้นเคลือบกันความร้อนจะถูกละเว้น และเก็บเฉพาะชั้นเซรามิกที่กันความร้อนซึ่งมีค่าการนำความร้อนต่ำไว้เท่านั้น

รูปที่ 2 แสดงแบบจำลองของใบพัดหลังจากการเคลือบด้วยชั้นกันความร้อน ใบพัดประกอบด้วยโครงสร้างการระบายความร้อนแบบหมุนหลายช่อง มีรูระบายความร้อนแบบฟิล์มสองรูอยู่ที่ขอบหน้า มีโครงสร้างช่องแยกตรงกลางอยู่ที่ขอบหลัง และมีโครงสร้างร่องรูปตัว H อยู่บนสุดของใบพัด ชั้นกันความร้อนถูกฉีดพ่นเฉพาะที่ลำตัวใบพัดและผิวแผ่นขอบล่าง เนื่องจากอุณหภูมิต่ำกว่ารากของใบพัดค่อนข้างต่ำและไม่ใช่จุดสนใจของการศึกษา เพื่อลดจำนวนตารางคำนวณ ในขณะกำหนดแบบจำลองทางการคำนวณ ส่วนที่อยู่ใต้รากจะถูกละเว้น และแบบจำลองโดเมนการคำนวณตามที่แสดงในรูปที่ 3 จะถูกสร้างขึ้น

1.2 วิธีการคำนวณเชิงตัวเลข

เรขาคณิตภายในของใบพัดระบายความร้อนของเทอร์ไบน์มีความซับซ้อนอยู่พอสมควร และยากที่จะใช้ตารางโครงสร้างได้ การใช้ตารางแบบไม่มีโครงสร้างทำให้ปริมาณการคำนวณเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในด้านนี้ บทความนี้ใช้ตัวสร้างตารางทรงหลายเหลี่ยมเพื่อแบ่งตารางสำหรับใบพัดและโดเมนก๊าซ แบบจำลองการแบ่งตารางแสดงในรูปที่ 4

ในแบบจำลองการคำนวณ ความหนาของชั้นเคลือบกันความร้อนมีขนาดเล็กมาก น้อยกว่า 1/10 ของความหนาของผนังใบพัด ด้วยเหตุนี้ บทความนี้ใช้ตัวสร้างตารางบางเพื่อแบ่งชั้นเคลือบกันความร้อนเป็นสามชั้นของตารางทรงกระบอกหลายเหลี่ยม จำนวนชั้นของตารางบางได้รับการตรวจสอบแล้วว่าเป็นอิสระ และจำนวนชั้นของตารางบางแทบจะไม่มีผลต่อสนามอุณหภูมิของใบพัด

โดเมนของของเหลวใช้แบบจำลอง Realizable K-Epsilon Two-Layer ในแบบจำลองความไม่สงบของ Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) แบบจำลองนี้ให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับการประมวลผลตาข่ายทั้งหมดของผนัง y+ นอกจากจะสามารถจัดการกับตาข่ายละเอียด (เช่น ชนิดตัวเลข Reynolds ต่ำ หรือตาข่าย y+ ต่ำ) ได้ดีแล้ว ยังสามารถจัดการกับตาข่ายระดับกลาง (เช่น 1＜y+＜30) ได้อย่างแม่นยำที่สุด ซึ่งสามารถสมดุลระหว่างเสถียรภาพ ค่าใช้จ่ายในการคำนวณ และความแม่นยำได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1.3 เงื่อนไขขอบเขต

ช่องทางเข้าก๊าซถูกกำหนดให้เป็นช่องทางเข้าแรงดันรวมที่หยุดนิ่ง ช่องทางเข้าอากาศสำหรับการระบายความร้อนเป็นช่องทางเข้าตามอัตรามวล และช่องทางออกถูกกำหนดให้เป็นช่องทางออกแรงดันสถิต พื้นผิวของชั้นเคลือบที่อยู่ในช่องก๊าซถูกกำหนดให้เป็นพื้นผิวที่เชื่อมโยงระหว่างของไหลและของแข็ง ชั้นเคลือบและพื้นผิวโลหะของใบพัดถูกกำหนดให้เป็นอินเตอร์เฟสของของแข็ง และสองด้านของช่องทางถูกกำหนดให้เป็นระยะเวลากำหนดของการหมุนทั้งก๊าซเย็นและก๊าซถือเป็นก๊าซแบบอุดมคติ และความจุความร้อนและความนำความร้อนของก๊าซถูกกำหนดโดยใช้สูตรของแซทเธอร์แลนด์ เงื่อนไขขอบเขตในการคำนวณที่เกี่ยวข้องคือ แรงดันรวมของช่องทางเข้ากระแสหลักของก๊าซเท่ากับ 2.5 MPa การกระจายตัวของอุณหภูมิที่เข้ามาพร้อมกับความลาดชันของอุณหภูมิแนวรัศมีแสดงอยู่ในรูปที่ 5 อัตราการไหลของก๊าซเย็นที่เข้าสู่ช่องเย็นภายในใบพัดเท่ากับ 45 กรัม/วินาที อุณหภูมิรวมเท่ากับ 540 องศาเซลเซียส และแรงดันที่ช่องทางออกเท่ากับ 0.9 MPa วัสดุของใบพัดเป็นโลหะผสมนิกเกิลชนิดผลึกเดี่ยวทนอุณหภูมิสูง และค่าความนำความร้อนของวัสดุเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ ในกรณีของวัสดุที่มีอยู่ในปัจจุบัน ชั้นเคลือบกันความร้อนมักจะใช้วัสดุออกไซด์ซิเรเนียมเสถียร (YSZ) หรือออกไซด์ซิเรเนียม (ZrO2) ซึ่งความนำความร้อนเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยตามอุณหภูมิ ดังนั้นค่าความนำความร้อนจึงถูกกำหนดไว้ที่ 1.03 W/(m·K) ในการคำนวณ

2 การวิเคราะห์ผลลัพธ์ของการคำนวณ

2.1 อุณหภูมิผิวใบพัด

รูปที่ 6 และ 7 แสดงถึงการกระจายอุณหภูมิผิวของใบพัดที่ไม่มีเคลือบและอุณหภูมิการกระจายตัวของผิวโลหะของใบพัดที่ความหนาของการเคลือบต่างๆ ตามลำดับ สามารถเห็นได้ว่าเมื่อความหนาของการเคลือบเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อุณหภูมิของผิวโลหะของใบพัดจะค่อย ๆ ลดลง และกฎการกระจายอุณหภูมิของผิวโลหะของใบพัดที่ความหนาต่าง ๆ จะคล้ายกัน โดยทั่วไปแล้วอุณหภูมิในส่วนกลางของผิวแรงดันจะต่ำกว่า และอุณหภูมิปลายใบพัดจะสูงกว่า ปลายใบพัดมักเป็นส่วนที่เย็นยากที่สุดของใบพัดทั้งหมด และซี่โครงที่ปลายใบพัดยากที่จะถูกทำให้เย็นโดยอากาศเย็น ในแบบจำลองการคำนวณ การเคลือบครอบคลุมเพียงผิวของตัวใบพัดเท่านั้น และปลายใบพัดไม่มีการเคลือบ จึงไม่มีผลกีดขวางความร้อนจากด้านแก๊สของปลายใบพัด ส่งผลให้พื้นที่อุณหภูมิสูงที่ปลายใบพัดยังคงอยู่เสมอ

รูปที่ 8 แสดงเส้นโค้งของอุณหภูมิเฉลี่ยผิวโลหะของใบพัดที่เปลี่ยนไปตามความหนา สามารถเห็นได้ว่า อุณหภูมิเฉลี่ยของผิวโลหะใบพัดลดลงเมื่อความหนาของชั้นเคลือบเพิ่มขึ้น เนื่องจากค่าการนำความร้อนของชั้นเคลือบกันความร้อนต่ำ ซึ่งเพิ่มความต้านทานทางความร้อนระหว่างก๊าซความร้อนสูงและใบพัดโลหะ ทำให้ลดอุณหภูมิของผิวโลหะใบพัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อความหนาของชั้นเคลือบอยู่ที่ 0.05 มม. อุณหภูมิเฉลี่ยของลำตัวใบพัดจะลดลง 21 องศาเซลเซียส และหลังจากนั้นเมื่อความหนาของชั้นเคลือบกันความร้อนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิผิวใบพัดจะลดลงเรื่อย ๆ เมื่อความหนาของชั้นเคลือบอยู่ที่ 0.20 มม. อุณหภูมิเฉลี่ยของลำตัวใบพัดจะลดลง 49 องศาเซลเซียส สิ่งนี้สอดคล้องกับผลของการทดสอบความเป็นฉนวนทางความร้อนที่วัดโดยจาง จื้อเฉียง และคณะ

รูปที่ 9 เป็นกราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิผิวของส่วนใบพัดตามความยาวคอร์ดแบบแกน จากรูปที่ 9 จะเห็นได้ว่าภายใต้ความหนาต่างๆ ของชั้นเคลือบกันความร้อน อุณหภูมิจะมีแนวโน้มในการเปลี่ยนแปลงในทิศทางความยาวคอร์ดแบบแกนคล้ายคลึงกัน และอุณหภูมิของผิวดูดอากาศสูงกว่าอุณหภูมิของผิวกดอากาศอย่างชัดเจน ในทิศทางความยาวคอร์ดแบบแกน อุณหภูมิของผิวกดอากาศและผิวดูดอากาศจะลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้น มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในบริเวณขอบท้าย ซึ่งเกิดจากโครงสร้างของการระบายความร้อนโดยการฉีดน้ำในช่องแยกตรงกลางของขอบท้าย นอกจากนี้ อุณหภูมิของใบพัดที่เคลือบด้วยชั้นกันความร้อนลดลงอย่างมาก โดยที่อุณหภูมิลดลงบนผิวดูดอากาศมากกว่าผิวกดอากาศ อุณหภูมิลดลงค่อยๆ ลดลงจากขอบนำ airflow ไปยังขอบท้าย และยิ่งใกล้ขอบนำ airflow ของใบพัดเท่าไหร่ อุณหภูมิลดลงก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิโลหะใบพัดส่งผลต่อระดับความเครียดทางความร้อนของใบพัด ดังนั้นบทความนี้จึงใช้ดัชนีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเพื่อวัดความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของใบพัดทึบ ดัชนีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ:

โดยที่: c เป็นปริมาตรของแต่ละหน่วย, T- เป็นค่าเฉลี่ยของอุณหภูมิในปริมาตร T, Tc เป็นค่าอุณหภูมิในหน่วยตาราง และ Vc เป็นปริมาตรของหน่วยตาราง หากสนามอุณหภูมิในปริมาตรกระจายอย่างสม่ำเสมอ ดัชนีความสม่ำเสมอของปริมาตรจะเท่ากับ 1 จากที่เห็นในรูปที่ 10 หลังจากการพ่นเคลือบทาความร้อน ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของใบพัดได้ปรับปรุงขึ้นอย่างชัดเจน เมื่อความหนาของเคลือบเป็น 0.2 มม. ดัชนีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของใบพัดเพิ่มขึ้น 0.4%.

2.2 อุณหภูมิผิวเคลือบ

การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิผิวเคลือบแสดงอยู่ในรูปที่ 11 จากที่เห็นในรูปที่ 11 เมื่อความหนาของชั้นเคลือบเพิ่มขึ้น อุณหภูมิผิวของชั้นเคลือบกันความร้อนจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งตรงกันข้ามอย่างสิ้นเชิงกับแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเฉลี่ยบนผิวลำพัด เมื่อความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้นในทิศทางความหนาของชั้นเคลือบ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผิวเคลือบและผิวลำพัดจะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น และความร้อนที่สะสมบนผิวจะแพร่กระจายไปยังใบโลหะลำพัดได้ยากขึ้น เมื่อความหนาของชั้นเคลือบเป็น 0.20 มม. ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกของชั้นเคลือบจะถึง 86 °C

2.3 อุณหภูมิภาคตัดขวางของใบพัด

รูปที่ 12 แสดงถึงการกระจายตัวของอุณหภูมิบริเวณขอบนำและขอบตามของใบพัดที่มีและไม่มีการเคลือบผิวด้วยชั้นกันความร้อน เมื่อผิวถูกเคลือบด้วยชั้นกันความร้อน อุณหภูมิในแนวตัดขวางของใบพัดจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด และความชันของอุณหภูมิก็ลดลงเช่นกัน เนื่องจากหลังจากการเคลือบด้วยชั้นกันความร้อน ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนในชั้นเคลือบนั้นลดลง นอกจากนี้เนื่องจากวัสดุเคลือบกันความร้อนมีค่าการนำความร้อนต่ำ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในของชั้นกันความร้อนจึงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

ติดต่อเรา

ขอบคุณที่สนใจบริษัทของเรา! ในฐานะบริษัทผลิตชิ้นส่วนกังหันก๊าซมืออาชีพ เราจะยังคงมุ่งมั่นในการนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการปรับปรุงบริการ เพื่อให้สามารถนำเสนอโซลูชันคุณภาพสูงแก่ลูกค้าทั่วโลก หากท่านมีคำถาม ข้อเสนอแนะ หรือความตั้งใจในการร่วมมือ เราพร้อมยินดีช่วยเหลือ กรุณาติดต่อเราผ่านช่องทางต่อไปนี้:

WhatsAPP: +86 135 4409 5201
อีเมล: [email protected]