Nghiên cứu về cơ chế ảnh hưởng của lớp phủ rào cản nhiệt đến hiệu quả làm mát của cánh tua-bin một loại tua-bin khí nhất định

Để đạt được hiệu ứng cách nhiệt và quy luật phân bố nhiệt độ của lớp phủ rào cản nhiệt trên lưỡi tua-bin, một loại lưỡi tua-bin chuyển động áp suất cao với cấu trúc làm mát nội bộ đã được sử dụng làm mô hình cơ bản. Hiệu ứng làm mát của lưỡi tua-bin chuyển động áp suất cao có hoặc không có lớp phủ rào cản nhiệt bảo vệ đã được tính toán số học bằng phương pháp ghép nối khí-nhiệt, và ảnh hưởng của lớp phủ rào cản nhiệt đến truyền nhiệt của lưỡi được nghiên cứu bằng cách thay đổi độ dày của lớp phủ rào cản nhiệt. Nghiên cứu đã phát hiện rằng sau khi phủ lớp rào cản nhiệt, nhiệt độ của lưỡi giảm đáng kể, càng gần mép trước thì mức giảm nhiệt độ càng lớn, và mức giảm nhiệt độ ở mặt áp lực lớn hơn so với mặt hút; lớp rào cản nhiệt có độ dày 0,05-0,2 mm có thể giảm nhiệt độ trung bình của bề mặt kim loại lưỡi từ 21-49 ℃; khi độ dày của lớp phủ tăng lên, phân bố nhiệt độ bên trong kim loại lưỡi sẽ trở nên đồng đều hơn.

Trong quá trình phát triển turbin khí, để cải thiện công suất và hiệu suất nhiệt của động cơ, nhiệt độ đầu vào turbin cũng đang tăng lên. Các lưỡi turbin phải chịu tác động của khí nóng cao. Khi nhiệt độ đầu vào turbin tiếp tục tăng, làm mát bằng không khí một mình không còn đáp ứng được yêu cầu. Lớp phủ rào cản nhiệt, như một phương tiện hiệu quả để nâng cao khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn của vật liệu, đã được sử dụng ngày càng nhiều.

Các lớp phủ rào cản nhiệt thường được gắn vào bề mặt lưỡi bằng phương pháp phun plasma hoặc lắng đọng tia điện tử. Chúng có đặc tính điểm nóng chảy cao và khả năng kháng sốc nhiệt, giúp cải thiện khả năng chống oxi hóa và ăn mòn nhiệt của các lưỡi tua-bin, giảm nhiệt độ của lưỡi và kéo dài tuổi thọ của chúng. Alizadeh cùng cộng sự đã nghiên cứu hiệu ứng cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt dày 0.2 mm thông qua mô phỏng số kết hợp nhiệt khí. Kết quả cho thấy nhiệt độ tối đa của lưỡi giảm được 19 K và nhiệt độ trung bình giảm được 34 K. Prapamonthon cùng cộng sự đã nghiên cứu tác động của cường độ乱 lưu đối với hiệu suất làm mát của lưỡi có lớp phủ rào cản nhiệt. Kết quả cho thấy lớp phủ rào cản nhiệt có thể tăng hiệu suất làm mát tổng thể của bề mặt lưỡi từ 16% đến 20% và 8% ở mép sau của lưỡi. Zhu Jian cùng cộng sự đã thiết lập một mô hình ổn định một chiều cho lưỡi có lớp phủ từ góc nhìn nhiệt động lực học, và phân tích lý thuyết cũng như tính toán hiệu ứng cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt. Shi Li cùng cộng sự đã tiến hành nghiên cứu số về C3X với lớp phủ rào cản nhiệt. Một lớp gốm dày 0.3 mm có thể giảm nhiệt độ bề mặt lưỡi xuống 72.6 K và tăng hiệu suất làm mát tổng thể lên 6.5%. Lớp phủ rào cản nhiệt không ảnh hưởng đến phân bố hiệu suất làm mát trên bề mặt lưỡi. Zhou Hongru cùng cộng sự đã tiến hành nghiên cứu số về mép trước của lưỡi tua-bin có lớp phủ rào cản nhiệt. Kết quả cho thấy lớp phủ rào cản nhiệt không chỉ giảm nhiệt độ hoạt động của lưỡi kim loại và gradient nhiệt trong lưỡi mà còn kháng sốc nhiệt của các điểm nóng đầu vào đến một mức độ nào đó. Yang Xiaoguang cùng cộng sự đã tính toán phân bố trường nhiệt hai chiều và ứng suất của cánh hướng dòng có lớp phủ rào cản nhiệt bằng cách đưa ra hệ số chuyển nhiệt của bề mặt trong và ngoài của lưỡi. Wang Liping cùng cộng sự đã thực hiện phân tích kết hợp khí-nhiệt ba chiều trên cánh hướng dòng tua-bin có cấu trúc làm mát phức hợp và nghiên cứu tác động của độ dày lớp phủ và bức xạ khí đến trường nhiệt của lớp phủ. Liu Jianhua cùng cộng sự đã phân tích hiệu ứng cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt cho lưỡi làm mát Mark II có nhiều lớp phủ rào cản nhiệt bằng cách đặt hệ số chuyển nhiệt bên trong và kết hợp khí-nhiệt bên ngoài.

1.Phương pháp tính toán

1.1Mô hình tính toán

Lớp phủ cách nhiệt được đặt giữa khí nóng và bề mặt hợp kim lưỡi dao, bao gồm một lớp kết dính kim loại và một lớp gốm cách nhiệt. Cấu trúc cơ bản của nó được hiển thị trong Hình 1. Khi xây dựng mô hình tính toán, lớp kết dính có độ dẫn nhiệt cao trong cấu trúc lớp phủ cách nhiệt bị bỏ qua, chỉ giữ lại lớp gốm cách nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp.

Hình 2 cho thấy mô hình lưỡi dao sau khi được phủ lớp cách nhiệt. Lưỡi dao chứa cấu trúc làm mát quay nhiều kênh, với hai lỗ làm mát phim trên mép trước, cấu trúc khe hở ở mép sau và cấu trúc rãnh hình chữ H trên đỉnh lưỡi dao. Lớp cách nhiệt chỉ được phun lên thân lưỡi dao và bề mặt tấm đáy dưới. Vì nhiệt độ dưới gốc lưỡi dao thấp và không phải là trọng tâm của nghiên cứu, để giảm số lượng lưới tính toán, phần dưới gốc bị bỏ qua khi thiết lập mô hình tính toán, và mô hình miền tính toán như Hình 3 được xây dựng.

1.2Phương pháp tính toán số

Hình học bên trong của cánh tua-bin làm mát tương đối phức tạp, và khó có thể sử dụng lưới cấu trúc. Việc sử dụng lưới không cấu trúc làm tăng đáng kể khối lượng tính toán. Về vấn đề này, bài báo này sử dụng trình tạo lưới đa diện để chia lưới cho lưỡi dao và vùng khí. Mô hình lưới được hiển thị trong Hình 4.

Trong mô hình tính toán, độ dày của lớp phủ rào cản nhiệt cực kỳ nhỏ, nhỏ hơn 1/10 độ dày của tường lưỡi dao. Do đó, bài báo này sử dụng trình tạo lưới mỏng để chia lớp phủ rào cản nhiệt thành ba lớp lưới prismatic đa diện. Số lượng lớp lưới mỏng đã được xác minh là độc lập, và số lượng lớp lưới mỏng hầu như không ảnh hưởng đến trường nhiệt độ của lưỡi dao.

Miền chất lỏng sử dụng mô hình Realizable K-Epsilon Two-Layer trong mô hình乱độn Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS). Mô hình này cung cấp tính linh hoạt hơn cho việc xử lý lưới của toàn bộ tường y+. Nó không chỉ có thể xử lý tốt các lưới mịn (tức là loại số Reynolds thấp hoặc lưới y+ thấp) mà còn có thể xử lý chính xác nhất các lưới trung gian (tức là 1＜y+＜30), điều này có thể cân bằng hiệu quả giữa sự ổn định, chi phí tính toán và độ chính xác.

1.3Điều kiện biên

Cổng vào khí được đặt làm cổng vào áp suất toàn phần, cổng vào không khí làm mát là cổng vào dòng khối, và cổng ra được đặt làm cổng ra áp suất tĩnh. Bề mặt phủ trong kênh khí được đặt làm bề mặt kết hợp chất lỏng-chất rắn, lớp phủ và bề mặt kim loại của cánh quạt được đặt làm giao diện chất rắn, và hai bên của kênh được đặt làm chu kỳ quay. Cả khí lạnh và khí đều là khí lý tưởng, và nhiệt dung riêng cũng như độ dẫn nhiệt của khí được đặt bằng công thức Sutherland. Các điều kiện biên tính toán tương ứng là: áp suất toàn phần tại cổng vào chính của kênh khí là 2,5 MPa, phân bố nhiệt độ vào với gradient nhiệt theo bán kính được hiển thị trong Hình 5, lưu lượng khí lạnh vào kênh lạnh trong lưỡi cánh là 45 g/s, nhiệt độ toàn phần là 540 ℃, và áp suất ra là 0,9 MPa. Vật liệu của lưỡi cánh là hợp kim niken đơn tinh thể chịu nhiệt cao, và độ dẫn nhiệt của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Với các vật liệu hiện có, lớp cách nhiệt thường sử dụng vật liệu oxit zirconium ổn định chứa itria (YSZ) hoặc oxit zirconium (ZrO2), mà độ dẫn nhiệt thay đổi rất ít theo nhiệt độ, vì vậy độ dẫn nhiệt được đặt là 1,03 W/(m·K) trong quá trình tính toán.

2 Phân tích kết quả tính toán

2.1 Nhiệt độ bề mặt lưỡi dao

Hình 6 và Hình 7 lần lượt cho thấy phân bố nhiệt độ bề mặt của lưỡi dao không phủ lớp coating và phân bố nhiệt độ bề mặt kim loại của lưỡi dao ở các độ dày coating khác nhau. Có thể thấy rằng khi độ dày lớp coating tiếp tục tăng, nhiệt độ bề mặt kim loại của lưỡi dao dần giảm xuống, và quy luật phân bố nhiệt độ bề mặt kim loại của lưỡi dao ở các độ dày khác nhau cơ bản là giống nhau: nhiệt độ ở giữa mặt chịu áp lực thấp hơn, và nhiệt độ ở đầu lưỡi dao cao hơn. Đầu lưỡi dao thường là phần khó làm mát nhất của toàn bộ lưỡi dao, và các gân rãnh ở đầu lưỡi dao khó được làm mát trực tiếp bởi khí lạnh. Trong mô hình tính toán, lớp coating chỉ bao phủ bề mặt thân lưỡi dao, và đầu lưỡi dao không được phủ lớp coating. Do đó, không có hiệu ứng cản trở đối với nhiệt từ phía khí bên đầu lưỡi dao, vì vậy vùng nhiệt độ cao ở đầu lưỡi dao luôn tồn tại.

Hình 8 cho thấy đường cong của nhiệt độ trung bình bề mặt kim loại lưỡi dao thay đổi theo độ dày. Có thể thấy rằng nhiệt độ trung bình bề mặt kim loại lưỡi dao giảm khi độ dày lớp phủ tăng lên. Điều này là do hệ số dẫn nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt thấp, làm tăng điện trở nhiệt giữa khí nóng và lưỡi dao kim loại, hiệu quả giảm nhiệt độ bề mặt kim loại lưỡi dao. Khi độ dày lớp phủ là 0,05 mm, nhiệt độ trung bình của thân lưỡi dao giảm 21 °C, và sau đó khi độ dày lớp phủ rào cản nhiệt tăng lên, nhiệt độ bề mặt lưỡi dao tiếp tục giảm; khi độ dày lớp phủ là 0,20 mm, nhiệt độ trung bình của thân lưỡi dao giảm 49 °C. Điều này cơ bản phù hợp với hiệu ứng cách nhiệt được đo bởi Trương Chí Cường và các đồng nghiệp thông qua thử nghiệm hiệu ứng lạnh.

Hình 9 là một đường cong cho thấy sự thay đổi của nhiệt độ bề mặt phần cánh theo chiều dài dây cung trục. Có thể thấy từ Hình 9, dưới các độ dày khác nhau của lớp phủ rào chắn nhiệt, xu hướng thay đổi nhiệt độ theo chiều dài dây cung trục cơ bản là giống nhau, và nhiệt độ bề mặt hút cao hơn đáng kể so với nhiệt độ bề mặt ép. Theo chiều dài dây cung trục, nhiệt độ của bề mặt ép và bề mặt hút trước tiên giảm sau đó tăng lên, và có một số dao động ở khu vực mép sau, điều này là do hình thức cấu trúc phun làm mát khe chia ở giữa mép sau. Đồng thời, nhiệt độ của lưỡi cánh được phủ lớp rào chắn nhiệt giảm đáng kể, và mức giảm nhiệt độ trên bề mặt hút lớn hơn rõ rệt so với bề mặt ép. Mức giảm nhiệt độ dần dần giảm từ mép trước đến mép sau, và càng gần mép trước của lưỡi cánh, mức giảm nhiệt độ càng lớn.

Sự đồng đều của nhiệt độ kim loại lưỡi dao ảnh hưởng đến mức độ ứng suất nhiệt của lưỡi dao, vì vậy bài báo này sử dụng chỉ số đồng đều nhiệt để đo lường sự đồng đều nhiệt độ của lưỡi dao rắn. Chỉ số đồng đều nhiệt:

Trong đó: c là thể tích của mỗi đơn vị, T- là giá trị trung bình thể tích của nhiệt độ T, Tc là giá trị nhiệt độ trong đơn vị lưới, và Vc là thể tích của đơn vị lưới. Nếu trường nhiệt độ theo thể tích được phân bố đồng đều, chỉ số đồng đều theo thể tích sẽ là 1. Có thể thấy từ Hình 10 rằng sau khi phun lớp vật liệu cách nhiệt, sự đồng đều nhiệt độ của lưỡi dao được cải thiện đáng kể. Khi độ dày lớp phủ là 0,2 mm, chỉ số đồng đều nhiệt độ của lưỡi dao tăng lên 0,4%.

2.2 Nhiệt độ bề mặt lớp phủ

Sự thay đổi nhiệt độ của bề mặt lớp phủ được hiển thị trong Hình 11. Có thể thấy từ Hình 11 rằng khi độ dày của lớp phủ tăng lên, nhiệt độ bề mặt của lớp phủ cách nhiệt tiếp tục tăng lên, điều này hoàn toàn ngược lại với xu hướng thay đổi nhiệt độ trung bình của bề mặt lưỡi dao. Khi điện trở nhiệt tăng theo chiều dày của lớp phủ, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt lớp phủ và bề mặt lưỡi dao dần dần tăng lên, và nhiệt tích tụ trên bề mặt càng khó lan tỏa vào lưỡi dao kim loại. Khi độ dày lớp phủ là 0,20 mm, sự chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài lớp phủ đạt 86 °C.

2.3 Nhiệt độ cắt ngang lưỡi dao

Hình 12 cho thấy sự phân bố nhiệt độ của các cạnh trước và sau của lưỡi cánh có và không có lớp phủ rào cản nhiệt. Sau khi bề mặt được phủ lớp rào cản nhiệt, nhiệt độ cắt ngang của lưỡi cánh giảm đáng kể và độ dốc nhiệt được làm dịu bớt. Điều này là do sau khi lớp rào cản nhiệt được áp dụng, mật độ dòng nhiệt trong lớp phủ bị giảm. Đồng thời, vì vật liệu lớp rào cản nhiệt có hệ số dẫn nhiệt thấp, nên sự thay đổi nhiệt độ bên trong khối rắn của lớp rào cản nhiệt rất đột ngột.

Liên hệ với chúng tôi

Cảm ơn bạn đã quan tâm đến công ty của chúng tôi! Là một công ty chuyên sản xuất phụ tùng tua-bin khí, chúng tôi sẽ tiếp tục cam kết đổi mới công nghệ và cải thiện dịch vụ, nhằm cung cấp nhiều giải pháp chất lượng cao hơn cho khách hàng trên toàn thế giới. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi, đề xuất hoặc ý định hợp tác nào, chúng tôi rất sẵn lòng giúp đỡ bạn. Vui lòng liên hệ với chúng tôi theo các cách sau đây:

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