Дослідження механізму впливу термічного бар'єрного покриття на ефект охолодження лопаток турбін певного типу газової турбіни

Щоб отримати ефект термічної ізоляції та закон розподілу температури для термічного бар'єрного покриття на лопатках турбіни, як основну модель було використано певний тип газової турбіни з високим тиском, що має внутрішню охолоджуючу структуру. За допомогою методу газотермічного купування чисельно обчислювалось охолодження рухомих лопаток високотискової турбіни з термічним бар'єрним покриттям та без нього, а також досліджувався вплив термічного бар'єрного покриття на тепловий перенос у лопатці шляхом зміни його товщини. Дослідження виявило, що після нанесення термічного бар'єрного покриття температура лопатки значно знизилася, чим ближче до переднього краю, тим більше спад температури, і спад температури на тисковій стороні був більшим, ніж на всмучувальній стороні; термічне бар'єрне покриття товщиною 0,05-0,2 мм може зменшити середню температуру металевої поверхні лопатки на 21-49 °C; при збільшенні товщини покриття розподіл температури всередині металу лопатки стане більш рівномірним.

При розробці газових турбін, для підвищення потужності та теплового коефіцієнту ефективності двигуна, температура входу до турбіни також зростає. Лопатки турбіни піддаються впливу високотемпературних газів. Коли температура входу до турбіни продовжуює зростати, повітряне охолодження саме вже не може задовольняти вимоги. Термічні бар'єрні покриття, як ефективний спосіб підвищення стійкості матеріалів до високої температури та корозії, все частіше застосовуються.

Термічні бар'єрні покриття, як правило, наносяться на поверхню лопатки методом плазменного наплавлення або електронно-пучкового нанесення. Вони мають властивості високого температурного пункту плавлення та стійкості до термічних шоків, що може поліпшити здатність турбінних лопаток опору оксидуванню та термічній корозії, знизити температуру лопатки та продовжити строк її служби. Ализадех та ін. дослідили термічний ізоляційний ефект 0,2 мм термічних бар'єрних покриттів за допомогою чисельного моделювання газово-теплового купування. Результати показали, що максимальна температура лопатки зменшилася на 19 К, а середня температура - на 34 К. Прапамонтон та ін. дослідили вплив інтенсивності турбулентності на ефективність охолодження лопаток з термічним бар'єрним покриттям. Результати показали, що термічні бар'єрні покриття можуть збільшити загальну ефективність охолодження поверхні лопатки на 16% до 20% та на 8% у краю лопатки. Чжу Цзян та ін. встановили одновимірну стаціонарну модель для лопаток з покриттям з термодинамічної точки зору, теоретично аналізуючи та обчислюючи термічний ізоляційний ефект термічних бар'єрних покриттів. Ші Лі та ін. провели числове дослідження C3X з термічним бар'єрним покриттям. 0,3 мм керамічний шар може знизити температуру поверхні лопатки на 72,6 К та збільшити загальну ефективність охолодження на 6,5%. Термічне бар'єрне покриття не має впливу на розподіл ефективності охолодження поверхні лопатки. Чжоу Хонґру та ін. провели числове дослідження передньої краю турбінних лопаток з термічним бар'єрним покриттям. Результати показали, що термічні бар'єрні покриття не тільки знижують робочу температуру металевих лопаток та температурний градієнт всередині лопаток, але й у певному вимірі опорюють термічним шокам гарячих точок на вході. Янг Сяогуан та ін. обчислили двовимірний розподіл температурного поля та напружень направляючих лопаток з термічним бар'єрним покриттям, задавши коефіцієнти теплопередачі внутрішніх та зовнішніх поверхонь лопаток. Ванг Ліпін та ін. провели тривимірний газово-тепловий аналіз купування для направляючих лопаток турбіни з складними структурами охолодження та вивчали вплив товщини покриття та радіації газу на температурне поле покриття. Лю Джіанхуа та ін. проаналізували термічний ізоляційний ефект термічних бар'єрних покриттів для лопаток охолодження Mark II з багатошаровими термічними бар'єрними покриттями, встановлюючи внутрішній коефіцієнт теплопередачі та зовнішнє газово-теплове купування.

1.Метод розрахунку

1.1Обчислювальна модель

Термічне бар'єрне покриття розташоване між високотемпературним газом та поверхнею сплаву підкладки лопатки, і складається з металевого з'єднуючого шару та термоізоляційного керамічного шару. Його базова структура показана на рисунку 1. При побудові обчислювальної моделі з'єднуючий шар з вищою теплопровідністю у структурі термічного бар'єрного покриття ігнорується, а залишається лише термоізоляційний керамічний шар з нижчою теплопровідністю.

Рисунок 2 показує моделю лопатки після нанесення термічного бар'єрного покриття. Лопатка містить багатоканальну обертальну охолоджуючу структуру, з двома виводними фільмовими отворами для охолодження на передньому краю, середньою розщепленою структурою на задньому краю та H-形 гребневою структурою на вершині лопатки. Термічне бар'єрне покриття наноситься лише на тіло лопатки та поверхню нижньої кrawці. Оскільки температура під коренем лопатки низька і не є головною дослідницькою увагою, для зменшення кількості обчислювальних сіток частина під коренем ігнорується при побудові обчислювальної моделі, і створюється модель обчислювальної області, яку можна побачити на рисунку 3.

1.2Метод числового обчислення

Внутрішня геометрія лопатки турбінного охолодження є відносно складною, і використання структурованих сіток є досить проблематичним. Використання неструктурованих сіток значно збільшує обсяг обчислень. У цьому контексті, у даній роботі використовується генератор поліедричних сіток для дискретизації лопатки та газової області. Модель сітки показана на рисунку 4.

У моделі обчислення товщина термічного бар'єрного покриття є екстремально малою, меншою за 1/10 від товщини стіни лопатки. З цього приводу, у цій роботі використовується генератор тонких сіток для поділу термічного бар'єрного покриття на три шари поліедричних призматичних сіток. Кількість шарів тонкої сітки була перевірена на незалежність, і вплив кількості шарів тонкої сітки майже не впливає на температурне поле лопатки.

Домен рідини використовує модель Realizable K-Epsilon Two-Layer у рівняннях Рейнольдса, усереднених за Нав'є-Стоксом (RANS) для моделювання турбулентності. Ця модель забезпечує більшу гнучкість при обробці сітки для всього y+ стінки. Вона не тільки добре обробляє густі сітки (тобто тип низького числа Рейнольдса або низькі сітки y+), але й ефективно обробляє середні сітки (тобто 1＜y+＜30) найточнішим чином, що дозволяє ефективно балансувати стабільність, витрати на обчислення та точність.

1.3Межові умови

Вхід газу встановлено як загальний тиск стагнаційного входу, вхід охолоджувального повітря є масовим потоком входу, а вихід встановлено як статичний тиск виходу. Поверхня покриття у газовому каналі встановлена як поверхня флюїд-сólідного зʼєднання, покриття та металева поверхня лопатки встановлені як тверда інтерфейсна поверхня, а дві сторони каналу встановлені як обертальний період. Як для холодного газу, так і для газу вони є ідеальними газами, а теплоємність газу та теплопровідність встановлюються за допомогою формули Сазерленда. Відповідні обчислювальні межеві умови такі: загальний тиск головного входу газового каналу становить 2,5 МПа, температурний розподіл на вході з радіальним температурним градієнтом показаний на рисунку 5, потік холодного газу на вході холодного каналу у лопатці становить 45 г/с, загальна температура становить 540 °C, а тиск виходу становить 0,9 МПа. Матеріал лопатки - це никелевий одно kristalний високотемпературний сплав, а теплопровідність матеріалу змінюється з температурою. Згідно з існуючими матеріалами, термобар'єрні покриття загалом використовують стабільні оксиди цирконію з іттриєм (YSZ) або оксиди цирконію (ZrO2), чия теплопровідність мало змінюється з температурою, тому теплопровідність встановлена на рівні 1,03 В/(м·К) у розрахунках.

2 Аналіз результатів розрахунку

2.1 Температура поверхні лопатки

Рисунки 6 і 7 показують розподіл температури поверхні непокритого лопатка та металевої температури поверхні лопатка при різних товщинах покриття відповідно. Видно, що за збільшення товщини покриття температура металевої поверхні лопатка поступово зменшується, а закономірність розподілу температури металевої поверхні лопатка при різних товщинах практично однакова: температура у середині стисленої поверхні нижча, а на краю лопатка вона вища. Край лопатка зазвичай є найскладнішою частиною всього лопатка для охолодження, і ребра гребеня на краю важко безпосередньо охолити холодним повітрям. У моделі обчислення покриття охоплює лише поверхню тіла лопатка, а край не має покриття. Немає бар'єрного ефекту на тепло з газової сторони краю, тому висока температура на краю завжди залишається.

Рисунок 8 показує криву зміни середньої температури поверхні металу лопатки в залежності від товщини. Видно, що середня температура поверхні металу лопатки зменшується з збільшенням товщини покриття. Це тому, що теплопровідність термічного бар'єрного покриття низька, що збільшує тепловий опір між високотемпературним газом і металевою лопаткою, ефективно зменшуючи температуру поверхні металу лопатки. Коли товщина покриття становить 0,05 мм, середня температура тіла лопатки зменшується на 21 °C, а потім з збільшенням товщини термічного бар'єрного покриття температура поверхні лопатки продовжує знижуватися; коли товщина покриття становить 0,20 мм, середня температура тіла лопатки зменшується на 49 °C. Це в основному узгодjuється з термоізоляційним ефектом, виміряним Чанг Чих'янгом та ін. через холодний ефект тесту.

Рисунок 9 є кривою, яка показує зміну температури поверхні сечки лопатки вздовж осьового довжини хорди. Як бачно з рисунку 9, при різних товщинах термічного бар'єрного покриття, тенденція зміни температури вздовж осьового довжини хорди майже однакова, і температура всмучувальної поверхні значно вища за температуру стискової поверхні. У напрямку осьового довжини хорди, температура стискової та всмучувальної поверхонь спочатку зменшується, а потім зростає, і є певна флуктуація у області заднього краю, яка спричинена конструкційною формою розділення шлифування охолодження у середині заднього краю. При цьому температура лопатки, покритої термічним бар'єрним покриттям, значно знижується, і зниження температури на всмучувальній поверхні значно більше, ніж на стисковій поверхні. Зниження температури поступово зменшується від переднього краю до заднього краю, і чим ближче до переднього краю лопатки, тим більше зниження температури.

Рівномірність температури металу лопатки впливає на рівень термічного стресу лопатки, тому у цій роботі використовується індекс рівномірності температури для вимірювання рівномірності температури твердої лопатки. Індекс рівномірності температури:

Де: c - це об'єм кожного елемента, T - це середнє значення температури за об'ємом, Tc - це значення температури в сітковому елементі, а Vc - це об'єм сіткового елемента. Якщо поле об'ємної температури є рівномірно розподіленим, індекс об'ємної рівномірності дорівнює 1. Як видно з рисунка 10, після опрыскування термічним бар'єрним покриттям, рівномірність температури лопатки значно покращилася. Коли товщина покриття становить 0.2 мм, індекс рівномірності температури лопатки зростає на 0.4%.

2.2 Температура поверхні покриття

Зміна температури поверхні покриття показана на рисунку 11. Як можна бачити з рисунку 11, при збільшенні товщини покриття температура поверхні термічного бар'єрного покриття продовжує зростати, що саме протилежне середньому тренду зміни температури поверхні лопатки. При збільшенні теплового опору у напрямку товщини покриття, різниця температур між поверхнею покриття і поверхнею лопатки поступово збільшується, а накопичена теплона поверхні стає складніше дифундувати до металевої лопатки. Коли товщина покриття становить 0.20 мм, різниця температур між внутрішньою та зовнішньою сторонами покриття досягає 86 °C.

2.3 Температура перерізу лопатки

Рисунок 12 показує розподіл температури передньої та задньої країн лопаток з термічним бар'єрним покриттям і без нього. Після нанесення термічного бар'єрного покриття на поверхню, температура у перерізі лопатки значно зменшується, а градієнт температури злегшуюється. Це відбувається тому, що після застосування термічного бар'єрного покриття, щільність потоку тепла у покритті зменшується. При цьому, через те, що матеріал термічного бар'єрного покриття має низьку теплопровідність, зміни температури всередині твердих мас термічного бар'єрного покриття дуже суттєві.

Зв'яжіться з нами

Дякуємо за вашу цікавość до нашої компанії! Як професійний виробник деталей газових турбин, ми будемо постійно присвячувати себе технологічному інноваціям та покращенню сервісу, щоб надавати більше високоякісних розв'язків клієнтам у всьому світі. Якщо в вас є будь-які питання, пропозиції або наміри співпраці, ми з радістю допоможемо вам. Будь ласка, зв'яжіться з нами наступними способами:

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