Studio sul meccanismo di influenza del rivestimento della barriera termica sull'effetto di raffreddamento delle pale della turbina di un certo tipo di turbina a gas
Al fine di ottenere l'effetto di isolamento termico e la legge sulla distribuzione della temperatura del rivestimento della barriera termica sulle pale della turbina, è stato utilizzato un certo tipo di lama mobile a turbina ad alta pressione di turbina a gas con struttura di raffreddamento interno. L'effetto di raffreddamento della lama di movimento della turbina ad alta pressione con o senza protezione del rivestimento a barriera termica è stato calcolato numericamente con il metodo di accoppiamento del calore del gas e l'influenza del rivestimento a barriera termica sul trasferimento di calore della lama è stata studiata modificando lo spessore del rivestimento della barriera termica. Lo studio ha scoperto che dopo il rivestimento con il rivestimento della barriera termica, la temperatura della lama è diminuita in modo significativo, più vicino al bordo anteriore, maggiore è la calo della temperatura e la calo della temperatura sul lato della pressione era maggiore di quella sul lato di aspirazione; Il rivestimento della barriera termica con uno spessore di 0. 05-0. 2 mm può ridurre la temperatura media della superficie del metallo lama per 21-49 gradi; All'aumentare dello spessore del rivestimento, la distribuzione della temperatura all'interno del metallo della lama diventerà più uniforme.
Nello sviluppo di turbine a gas, al fine di migliorare la potenza e l'efficienza termica del motore, anche la temperatura di ingresso della turbina sta aumentando. Le pale della turbina sono soggette all'impatto del gas ad alta temperatura. Quando la temperatura di ingresso della turbina continua ad aumentare, il raffreddamento dell'aria da sola non può più soddisfare i requisiti. I rivestimenti a barriera termica, come mezzo efficace per migliorare la resistenza ad alta temperatura e la resistenza alla corrosione dei materiali, sono stati sempre più utilizzati.
I rivestimenti per barriera termici sono generalmente rispettati alla superficie della lama mediante spruzzatura di fiamma al plasma o deposizione del fascio di elettroni. Hanno le caratteristiche dell'elevato punto di fusione e la resistenza allo shock termico, che possono migliorare la capacità delle pale della turbina di resistere all'ossidazione e alla corrosione termica, ridurre la temperatura delle lame ed estendere la durata delle pale. Alizadeh et al. ha studiato l'effetto di isolamento termico di {0}}. 2 mm Coating di barriera termica mediante simulazione numerica di accoppiamento a gas. I risultati hanno mostrato che la temperatura massima della lama è stata ridotta di 19 K e la temperatura media è stata ridotta di 34 K. Prapamonthon et al. ha studiato l'effetto dell'intensità della turbolenza sull'efficienza di raffreddamento delle lame di rivestimento a barriera termica. I risultati hanno mostrato che i rivestimenti per barriera termici possono aumentare l'efficienza di raffreddamento completa della superficie della lama dal 16% al 20% e 8% al bordo finale della lama. Zhu Jian et al. ha stabilito un modello stazionario unidimensionale per le lame rivestite da una prospettiva termodinamica e teoricamente analizzato e calcolato l'effetto di isolamento termico dei rivestimenti per barriera termica. Shi Li et al. ha condotto uno studio numerico su C3X con rivestimenti a barriera termica. Uno strato ceramico di 0,3 mm può ridurre la temperatura della superficie della lama di 72,6 K e aumentare l'efficienza di raffreddamento completa del 6,5%. Il rivestimento della barriera termica non ha alcun effetto sulla distribuzione dell'efficienza di raffreddamento della superficie della lama. Zhou Hongru et al. ha condotto uno studio numerico sul bordo anteriore delle pale della turbina con rivestimenti a barriera termica. I risultati hanno mostrato che i rivestimenti a barriera termica possono non solo ridurre la temperatura operativa delle pale metalliche e il gradiente di temperatura all'interno delle lame, ma resistere anche allo shock termico dei punti caldi dell'ingresso in una certa misura. Yang Xiaoguang et al. Calcolato la distribuzione del campo di temperatura bidimensionale e lo stress delle palette guida con rivestimenti a barriera termica fornendo i coefficienti di trasferimento di calore delle superfici interne ed esterne delle lame. Wang Liping et al. Ha condotto un'analisi di accoppiamento gas-termica tridimensionale su palette guida per turbine con strutture di raffreddamento composito e ha studiato gli effetti dello spessore del rivestimento e delle radiazioni del gas sul campo di temperatura del rivestimento. Liu Jianhua et al. analizzato l'effetto di isolamento termico dei rivestimenti per barriera termica per le lame di raffreddamento Mark II con rivestimenti a barriera termica multistrato impostando internamente il coefficiente di trasferimento di calore e l'accoppiamento di gas-termico esterno.
Metodo di calcolo
Modello computazionale
Il rivestimento della barriera termica si trova tra il gas ad alta temperatura e la superficie del substrato in lega di lama ed è composto da uno strato di legame metallico e uno strato ceramico di isolamento termico. La sua struttura di base è mostrata nella Figura 1. Quando si costruisce il modello di calcolo, viene ignorato lo strato di legame con conducibilità termica più elevata nella struttura del rivestimento della barriera termica e viene mantenuto solo lo strato ceramico di isolamento termico con conduttività termica inferiore.
La Figura 2 mostra il modello di lama dopo essere stato rivestito con rivestimento a barriera termica. La lama contiene una struttura di raffreddamento rotante multicanale, con due fori di raffreddamento del film di scarico sul bordo anteriore, una struttura a fessura centrale sul bordo finale e una struttura scanalatura a forma di H sulla cima della lama. Il rivestimento a barriera termica viene spruzzato solo sul corpo della lama e sulla superficie della piastra del bordo inferiore. Poiché la temperatura inferiore alla radice della lama è bassa e non è al centro della ricerca, al fine di ridurre il numero di griglie computazionali, la parte inferiore alla radice viene ignorata quando si imposta il modello computazionale e viene costruito il modello di dominio computazionale mostrato nella Figura 3.
Metodo di calcolo numerico
La geometria interna della lama di raffreddamento della turbina è relativamente complessa ed è difficile da usare griglie strutturate. L'uso di griglie non strutturate aumenta significativamente la quantità di calcolo. A questo proposito, questo documento utilizza un generatore di griglia poliedrici per intrecciare la lama e il dominio del gas. Divisione mesh, il modello mesh è mostrato nella Figura 4.
Nel modello di calcolo, lo spessore del rivestimento della barriera termica è estremamente piccolo, inferiore a 1/10 dello spessore della parete della lama. Per questo motivo, questo documento utilizza un generatore di mesh sottile per dividere il rivestimento della barriera termica in tre strati di maglie prismatiche poligonali. Il numero di strati a maglia sottile è stato verificato per essere indipendente e il numero di strati a maglia sottile non ha quasi alcun effetto sul campo di temperatura della lama.
Il dominio fluido adotta il modello a due strati K-Epsilon realizzabile nel modello di turbolenza di ReynoldSaveted Navier-Stokes (RANS). Questo modello fornisce una maggiore flessibilità per l'elaborazione della mesh dell'intera parete Y+. Non può solo gestire mesh sottili (cioè, tipo di numero di reynolds basso o maglie Y+ basse), ma gestire anche le maglie intermedie (cioè, 1 ＜ y+ ＜ 30) nel modo più accurato, che può effettivamente bilanciare la stabilità, il costo computazionale e l'accuratezza.
Condizioni al contorno
L'ingresso a gas è impostata come ingresso di stagnazione a pressione totale, l'ingresso dell'aria di raffreddamento è un ingresso a flusso di massa e l'uscita è impostata come uscita di pressione statica. La superficie di rivestimento nel canale del gas è impostata come superficie di accoppiamento solide fluido, il rivestimento e la superficie del metallo della lama sono impostati come interfaccia solida e i due lati del canale sono impostati come periodo di rotazione. Sia il gas freddo che il gas sono gas ideali e la capacità di calore del gas e la conducibilità termica sono impostati utilizzando la formula di Sutherland. Le corrispondenti condizioni al contorno di calcolo sono: La pressione totale dell'ingresso tradizionale del canale del gas è di 2,5 MPa, la distribuzione della temperatura di ingresso con gradiente di temperatura radiale è mostrata nella Figura 5, la portata dell'ingresso del gas freddo del canale freddo nella lama è di 45 g/s, la temperatura totale è 54 0 gradi e la pressione di outlet è 0.9 MPA. Il materiale della lama è una lega ad alta temperatura a base di cristalli a base di nichel e la conduttività termica del materiale cambia con la temperatura. Per quanto riguarda i materiali esistenti, i rivestimenti per barriera termici generalmente utilizzano materiali stabili di ossido di zirconio di zirconio (YSZ) o ossido di zirconio (ZRO2), la cui conducibilità termica cambia poco con la temperatura, quindi la conducibilità termica è impostata su 1,03 W/(M · K) nel calcolo.
2 Analisi dei risultati del calcolo
2.1 Temperatura della superficie della lama
Le figure 6 e 7 mostrano la distribuzione della temperatura superficiale della lama non rivestita e la distribuzione della temperatura della superficie metallica della lama a diversi spessori di rivestimento. Si può vedere che quando lo spessore del rivestimento continua ad aumentare, la temperatura della superficie metallica della lama diminuisce gradualmente e la legge sulla distribuzione della temperatura della superficie metallica della lama a diversi spessori è sostanzialmente la stessa, la temperatura nel mezzo della superficie di pressione è inferiore e la temperatura alla punta della lama è più alta. La punta della lama è di solito la parte più difficile dell'intera lama per raffreddare e le costole di scanalatura sulla punta della lama sono difficili da raffreddare direttamente dall'aria fredda. Nel modello di calcolo, il rivestimento copre solo la superficie del corpo della lama e la punta della lama non è coperta di rivestimento. Non vi è alcun effetto barriera sul calore dal lato a gas della punta della lama, quindi esiste sempre l'area ad alta temperatura sulla punta della lama.
La Figura 8 mostra la curva della temperatura media della superficie del metallo della lama che cambia con spessore. Si può vedere che la temperatura media della superficie del metallo della lama diminuisce con l'aumento dello spessore del rivestimento. Questo perché la conduttività termica del rivestimento della barriera termica è bassa, il che aumenta la resistenza termica tra il gas ad alta temperatura e la lama metallica, riducendo efficacemente la temperatura della superficie metallica della lama. Quando lo spessore del rivestimento è 0. 0 5 mm, la temperatura media del corpo della lama diminuisce di 21 gradi e quindi quando aumenta lo spessore del rivestimento della barriera termica, la temperatura della superficie della lama diminuisce; Quando lo spessore del rivestimento è di 0,20 mm, la temperatura media del corpo della lama diminuisce di 49 gradi. Ciò è sostanzialmente coerente con l'effetto di isolamento termico misurato da Zhang Zhiqiang et al. attraverso il test dell'effetto freddo.
La Figura 9 è una curva che mostra il cambiamento della temperatura superficiale della sezione lama lungo la lunghezza dell'accordo assiale. Come si può vedere dalla Figura 9, sotto diversi spessori dei rivestimenti di barriera termica, la tendenza del cambiamento di temperatura lungo la lunghezza dell'accordatura assiale è sostanzialmente la stessa e la temperatura della superficie di aspirazione è significativamente superiore alla temperatura della superficie di pressione. Nella direzione della lunghezza dell'accordo assiale, la temperatura della superficie di pressione e la superficie di aspirazione diminuiscono prima e quindi aumenta, e vi è una certa fluttuazione nell'area del bordo posteriore, che è causata dalla forma strutturale del raffreddamento a spruzzo a spazzola divisa nel mezzo del bordo finale. Allo stesso tempo, la temperatura della lama rivestita con il rivestimento della barriera termica diminuisce in modo significativo e la calo della temperatura sulla superficie di aspirazione è significativamente maggiore di quella sulla superficie di pressione. La caduta di temperatura diminuisce gradualmente dal bordo anteriore al bordo finale e più vicino al bordo anteriore della lama, maggiore è la caduta di temperatura.
L'uniformità della temperatura del metallo della lama influisce sul livello di sollecitazione termica della lama, quindi questa carta utilizza l'indice di uniformità della temperatura per misurare l'uniformità della temperatura della lama solida. Indice di uniformità della temperatura:
Dove: C è il volume di ciascuna unità, T- è la media del volume della temperatura T, TC è il valore di temperatura nell'unità di griglia e VC è il volume dell'unità di griglia. Se il campo di temperatura del volume è distribuito uniformemente, l'indice di uniformità del volume è 1. Come si può vedere dalla Figura 1 0, dopo aver spruzzato il rivestimento della barriera termica, l'uniformità della temperatura della lama è significativamente migliorata. Quando lo spessore del rivestimento è 0. 2 mm, l'indice di uniformità della temperatura della lama viene aumentato dello 0,4%.
2.2 Temperatura della superficie di rivestimento
Il cambiamento di temperatura della superficie del rivestimento è mostrato nella Figura 11. Come si può vedere dalla Figura 11, all'aumentare dello spessore del rivestimento, la temperatura superficiale del rivestimento della barriera termica continua ad aumentare, che è esattamente l'opposto della tendenza media del cambiamento di temperatura della superficie della lama. Man mano che la resistenza termica aumenta nella direzione dello spessore del rivestimento, la differenza di temperatura tra la superficie del rivestimento e la superficie della lama aumenta gradualmente e il calore accumulato sulla superficie è più difficile da diffondere sulla lama metallica. Quando lo spessore del rivestimento è 0. 20 mm, la differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno del rivestimento raggiunge il grado 86.
2.3 Temperatura della sezione trasversale lama
La Figura 12 mostra la distribuzione della temperatura dei bordi principali e finali di lame con e senza rivestimenti a barriera termica. Dopo che la superficie è rivestita con rivestimenti a barriera termica, la temperatura della sezione trasversale della lama è significativamente ridotta e il gradiente di temperatura è alleviato. Questo perché dopo l'applicazione del rivestimento della barriera termica, la densità del flusso di calore nel rivestimento viene ridotta. Allo stesso tempo, poiché il materiale di rivestimento della barriera termica ha una bassa conducibilità termica, le variazioni di temperatura all'interno del solido del rivestimento della barriera termica sono molto drastici.
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