Studie naar het invloedsmechanisme van thermische barrièrecoating op het koeleffect van turbinebladen van een bepaald type gasturbine
Om het thermische isolatie-effect en de temperatuurverdelingswet van thermische barrièrecoating op turbinebladen te verkrijgen, werd een bepaald type gasturbine-turbine-turbine-mes met interne koelstructuur gebruikt als het basismodel. Het koeleffect van hogedrukturbine-bewegend mes met of zonder thermische barrièrecoatingbescherming werd numeriek berekend door gasverwarmingskoppelingsmethode, en de invloed van thermische barrièrecoating op de warmteoverdracht van de blad werd bestudeerd door de dikte van de thermische barrièrecoating te veranderen. Uit de studie bleek dat na coating met thermische barrièrecoating de temperatuur van het mes aanzienlijk daalde, hoe dichter bij de voorrand, hoe groter de temperatuurdaling en de temperatuurdaling aan de drukzijde groter was dan die aan de zuigzijde; de thermische barrièrecoating met een dikte van 0. 05-0. 2 mm kan de gemiddelde temperatuur van het mesmetaaloppervlak verlagen door 21-49 graad; Naarmate de coatingdikte toeneemt, wordt de temperatuurverdeling in het mesmetaal uniformer.
Bij de ontwikkeling van gasturbines neemt de turbine -inlaattemperatuur ook toe om het vermogen en de thermische efficiëntie van de motor te verbeteren. De turbinebladen worden onderworpen aan de impact van hoog-temperatuurgas. Wanneer de turbine -inlaattemperatuur blijft toenemen, kan alleen luchtkoeling niet langer aan de vereisten voldoen. Thermische barrièrecoatings, als een effectief middel om de weerstand op hoge temperatuur en corrosieweerstand van materialen te verbeteren, zijn in toenemende mate gebruikt.
Thermische barrièrecoatings worden in het algemeen aan het mesoppervlak gehouden door plasma vlamspuiten of elektronenstraalafzetting. Ze hebben de kenmerken van een hoog smeltpunt en weerstand tegen thermische schok, die het vermogen van turbinebladen kunnen verbeteren om oxidatie en thermische corrosie te weerstaan, de messtemperatuur te verminderen en de levensduur van messen te verlengen. Alizadeh et al. bestudeerde het thermische isolatie-effect van {{{0}}}. 2 mm thermische barrièrecoatings door gasverwarming Numerieke simulatie. De resultaten toonden aan dat de maximale temperatuur van het mes met 19 K werd verlaagd en de gemiddelde temperatuur werd verlaagd met 34 K. Prapamonthon et al. bestudeerde het effect van turbulentie -intensiteit op de koelefficiëntie van thermische barrièrecoatingbladen. De resultaten toonden aan dat thermische barrièrecoatings de uitgebreide koelefficiëntie van het bladoppervlak met 16% tot 20% en 8% aan de achterrand van het mes kunnen verhogen. Zhu Jian et al. heeft een eendimensionaal steady-state model voor gecoate messen ingesteld vanuit een thermodynamisch perspectief, en theoretisch geanalyseerd en berekend het thermische isolatie-effect van thermische barrièrecoatings. Shi Li et al. een numeriek onderzoek uitgevoerd op C3X met thermische barrièrecoatings. Een keramische laag van 0,3 mM kan de oppervlaktetemperatuur van de mes met 72,6 K verlagen en de uitgebreide koelefficiëntie met 6,5%verhogen. De thermische barrièrecoating heeft geen effect op de verdeling van de koelefficiëntie van het bladoppervlak. Zhou Hongru et al. voerde een numeriek onderzoek uit op de voorrand van turbinebladen met thermische barrièrecoatings. De resultaten toonden aan dat thermische barrièrecoatings niet alleen de bedrijfstemperatuur van metalen bladen en de temperatuurgradiënt in de messen kunnen verlagen, maar ook de thermische schok van hotspots van inlaat tot op zekere hoogte kunnen weerstaan. Yang Xiaoguang et al. Berekende de tweedimensionale temperatuurveldverdeling en spanning van geleideschoepen met thermische barrièrecoatings door de warmteoverdrachtscoëfficiënten van de binnen- en buitenoppervlakken van de bladen te geven. Wang Liping et al. voerde een driedimensionale gas-thermische koppelingsanalyse uit op turbinegeleidingsschoepen met composietkoelstructuren en bestudeerde de effecten van coatingdikte en gasstraling op het coatingtemperatuurveld. Liu Jianhua et al. Analyse van het thermische isolatie-effect van thermische barrièrecoatings voor Mark II-koelbladen met meerlagige thermische barrièrecoatings door de warmteoverdrachtscoëfficiënt en externe gas-thermische koppeling intern in te stellen.
Berekeningsmethode
Rekenmodel
De thermische barrièrecoating bevindt zich tussen het hoog-temperatuurgas en het oppervlak van het substraat van de meslegering en is samengesteld uit een metaalbindingslaag en een thermische isolatie-keramische laag. De basisstructuur wordt getoond in figuur 1. Bij het construeren van het berekeningsmodel wordt de bindingslaag met een hogere thermische geleidbaarheid in de thermische barrièrecoatingstructuur genegeerd en wordt alleen de thermische isolatie -keramische laag met een lagere thermische geleidbaarheid behouden.
Figuur 2 toont het mesmodel na te zijn bedekt met thermische barrièrecoating. Het mes bevat een multi-channel roterende koelstructuur, met twee uitlaatfilm koelgaten op de voorrand, een middelste spleetstructuur op de achterrand en een H-vormige groefstructuur op de bovenkant van het mes. De thermische barrièrecoating wordt alleen gespoten op het meslichaam en het onderoppervlak van de onderrand. Omdat de temperatuur onder de meswortel laag is en niet de focus van onderzoek is, wordt het deel onder de root genegeerd bij het instellen van het rekenmodel en het computermodel dat wordt getoond in figuur 3, om het aantal computationele roosters te verminderen.
Numerieke berekeningsmethode
De interne geometrie van het turbinekoelblad is relatief complex en het is moeilijk om gestructureerde roosters te gebruiken. Het gebruik van ongestructureerde roosters verhoogt de hoeveelheid berekening aanzienlijk. In dit opzicht gebruikt dit artikel een polyedrale rastergenerator om het mes en het gasdomein te mazen. Mesh Division, het mesh -model wordt getoond in figuur 4.
In het berekeningsmodel is de dikte van de thermische barrièrecoating extreem klein, minder dan 1/10 van de dikte van de meswand. Om deze reden gebruikt dit artikel een dunne mesh -generator om de thermische barrièrecoating te verdelen in drie lagen polygonale prismatische mazen. Het aantal dunne mesh -lagen is geverifieerd als onafhankelijk en het aantal dunne maaslagen heeft bijna geen effect op het mestemperatuurveld.
Het vloeistofdomein hanteert het realiseerbare K-Epsilon tweelaagse model in het ReynoldsaDaidaged Navier-Stokes-vergelijkingen (RANS) turbulentiemodel. Dit model biedt een grotere flexibiliteit voor de mesh -verwerking van de gehele Y+ -muur. Het kan niet alleen fijne mazen afhandelen (dwz een laag Reynolds -nummertype of lage y+ mazen) goed, maar ook omgaan met tussenliggende mazen (dwz 1 ＜ y+ ＜ 30) op de meest nauwkeurige manier, die stabiliteit, rekenkosten en nauwkeurigheid effectief kunnen balanceren.
Grensvoorwaarden
De gasinlaat wordt ingesteld als een totale drukstagnatie -inlaat, de koelluchtinlaat is een inlaat in massastroom en de uitlaat wordt ingesteld als een statische drukuitgang. Het coatingoppervlak in het gaskanaal wordt ingesteld als een vloeistofoplossingskoppelingsoppervlak, de coating en het mesmetaaloppervlak worden ingesteld als een vaste grensvlak en de twee zijden van het kanaal worden ingesteld als een rotatieperiode. Zowel het koude gas als het gas zijn ideale gassen, en de gaswarmtecapaciteit en thermische geleidbaarheid worden ingesteld met behulp van de Sutherland -formule. The corresponding calculation boundary conditions are: the total pressure of the mainstream inlet of the gas channel is 2.5 MPa, the inlet temperature distribution with radial temperature gradient is shown in Figure 5, the cold gas inlet flow rate of the cold channel in the blade is 45 g/s, the total temperature is 540 degree , and the outlet pressure is 0.9 MPa. Het mesmateriaal is een nikkelgebaseerde single crystal hoge temperatuurlegering en de thermische geleidbaarheid van het materiaal verandert met temperatuur. Wat bestaande materialen betreft, gebruiken thermische barrièrecoatings in het algemeen stabiele yttria zirkoniumoxide (YSZ) materialen of zirkoniumoxide (ZRO2), waarvan de thermische geleidbaarheid weinig verandert met temperatuur, dus de thermische geleidbaarheid is ingesteld op 1,03 w/(m · k) in de berekening.
2 Analyse van berekeningsresultaten
2.1 Bladoppervlaktemperatuur
Figuren 6 en 7 tonen de oppervlaktetemperatuurverdeling van het niet -gecoate mes en de metalen oppervlaktetemperatuurverdeling van het mes bij respectievelijk verschillende coatingdiktes. Het is te zien dat naarmate de coatingdikte blijft toenemen, de metalen oppervlaktetemperatuur van het mes geleidelijk afneemt en de temperatuurverdelingswet van het metaaloppervlak van het mes bij verschillende diktes in principe hetzelfde is, de temperatuur in het midden van het drukoppervlak is lager en de temperatuur op de bladpunt is hoger. De mespunt is meestal het moeilijkste deel van het hele mes om te koelen, en de groefribben aan de mespunt zijn moeilijk om direct te worden gekoeld door koude lucht. In het berekeningsmodel bedekt de coating alleen het oppervlak van het meslichaam en is de mespunt niet bedekt met coating. Er is geen barrière -effect op de warmte van de gaszijde van de mespunt, dus het gebied met hoge temperatuur aan de mespunt bestaat altijd.
Figuur 8 toont de curve van de gemiddelde temperatuur van het metaaloppervlak van het mes dat met dikte verandert. Het is te zien dat de gemiddelde temperatuur van het metaaloppervlak van het mes afneemt met de toename van de coatingdikte. Dit komt omdat de thermische geleidbaarheid van de thermische barrièrecoating laag is, wat de thermische weerstand tussen het hoog-temperatuurgas en het metaalblad verhoogt, waardoor de temperatuur van het metaaloppervlak van het blad effectief wordt verminderd. Wanneer de coatingdikte 0 is. 0 5 mm, neemt de gemiddelde temperatuur van het meslichaam met 21 graden af en vervolgens naarmate de dikte van de thermische barrièrecoating toeneemt, blijft de temperatuur van het bladoppervlak dalen; Wanneer de coatingdikte 0,20 mm is, neemt de gemiddelde temperatuur van het meslichaam met 49 graden af. Dit is in principe consistent met het thermische isolatie -effect gemeten door Zhang Zhiqiang et al. door de koude effecttest.
Figuur 9 is een curve die de verandering van de oppervlaktetemperatuur van het messectie langs de axiale akkoordlengte toont. Zoals te zien is in figuur 9, is onder verschillende diktes van thermische barrièrecoatings de trend van de temperatuurverandering langs de axiale akkoordlengte in principe hetzelfde en is de temperatuur van het zuigoppervlak aanzienlijk hoger dan de temperatuur van het drukoppervlak. In de richting van de axiale akkoordlengte neemt de temperatuur van het drukoppervlak en het zuigoppervlak eerst af en neemt vervolgens toe, en er is een zekere fluctuatie in het achterrandgebied, dat wordt veroorzaakt door de structurele vorm van de splitspraykoeling in het midden van de achterrand. Tegelijkertijd daalt de temperatuur van het mes bedekt met de thermische barrièrecoating aanzienlijk en is de temperatuurdaling op het zuigoppervlak aanzienlijk groter dan die op het drukoppervlak. De temperatuurdaling neemt geleidelijk af van de voorrand naar de achterrand, en hoe dichter bij de voorrand van het mes, hoe groter de temperatuurdaling.
De uniformiteit van de mesmetaaltemperatuur beïnvloedt het thermische spanningsniveau van het mes, dus dit papier gebruikt de temperatuuruniformiteitsindex om de temperatuuruniformiteit van het vaste mes te meten. Temperatuuruniformiteitsindex:
Waar: C is het volume van elke eenheid, t- is het volumegemiddelde van temperatuur T, TC is de temperatuurwaarde in de raster-eenheid en VC is het volume van de rastereenheid. Als het volumetemperatuurveld uniform is verdeeld, is de volume -uniformiteitsindex 1. zoals te zien uit figuur 1 0, na het spuiten van de thermische barrièrecoating is de temperatuuruniformiteit van het mes aanzienlijk verbeterd. Wanneer de coatingdikte 0. 2 mm is, wordt de temperatuuruniformiteitsindex van het mes met 0,4%verhoogd.
2.2 Temperatuur van het coatingoppervlak
De temperatuurverandering van het coatingoppervlak wordt getoond in figuur 11. Zoals te zien is uit figuur 11, naarmate de coatingdikte toeneemt, blijft de oppervlaktetemperatuur van de thermische barrièrecoating toenemen, wat precies het tegenovergestelde is van de gemiddelde temperatuurveranderingstrend van het bladoppervlak. Naarmate de thermische weerstand toeneemt in de richting van de coatingdikte, neemt het temperatuurverschil tussen het coatingoppervlak en het bladoppervlak geleidelijk toe en is de geaccumuleerde warmte op het oppervlak moeilijker te diffunderen met het metaalblad. Wanneer de coatingdikte 0. 20 mm is, bereikt het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenkant van de coating 86 graad.
2.3 Bladdoorsnede temperatuur
Figuur 12 toont de temperatuurverdeling van de leidende en achterranden van messen met en zonder thermische barrièrecoatings. Nadat het oppervlak is gecoat met thermische barrièrecoatings, wordt de dwarsdoorsnede temperatuur van het mes aanzienlijk verlaagd en wordt de temperatuurgradiënt verlicht. Dit komt omdat nadat de thermische barrièrecoating is toegepast, de warmtefluxdichtheid in de coating wordt verminderd. Tegelijkertijd zijn de temperatuurveranderingen in de thermische barrièrescoating vast, aangezien het thermische barrièrecoatingmateriaal een lage thermische geleidbaarheid heeft, zeer drastisch.
Neem contact met ons op
Bedankt voor uw interesse in ons bedrijf! Als een professioneel productiebedrijf voor gasturbineonderdelen, zullen we ons blijven inzetten voor technologische innovatie en serviceverbetering, om meer hoogwaardige oplossingen te bieden voor klanten over de hele wereld. Als u vragen, suggesties of samenwerkingsintenties hebt, zijn we meer dan blij om u te helpen. Neem op de volgende manieren contact met ons op:
Whatsapp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
