Pagsusuri sa impluwensiya ng mekanismo ng thermal barrier coating sa epekto ng paglalamig ng mga turbine blade ng isang uri ng gas turbine

Upang makuha ang epekto ng thermal insulation at ang batas ng temperatura distribution ng thermal barrier coating sa mga turbine blade, ginamit ang isang uri ng gas turbine high-pressure turbine moving blade na may internal cooling structure bilang pangunahing modelo. Hinati ang cooling effect ng high-pressure turbine moving blade na may o wala pang proteksyon ng thermal barrier coating gamit ang gas-heat coupling method, at pinag-aralan ang impluwensya ng thermal barrier coating sa heat transfer ng blade sa pamamagitan ng pagbabago sa kapaligiran ng thermal barrier coating. Nakita sa pag-aaral na matapos mag-coating ng thermal barrier coating, bumaba ang temperatura ng blade nang husto, ang higit na malapit sa leading edge, ang mas malaking baba ang temperatura, at ang baba ng temperatura sa pressure side ay mas malaki kaysa sa suction side; ang thermal barrier coating na may kapaligiran na 0.05-0.2 mm ay maaaring babainin ang average temperatura ng metal surface ng blade sa 21-49 ℃; habang tumataas ang kapaligiran ng coating, magiging mas regular ang temperatura distribution sa loob ng blade metal.

Sa pag-unlad ng gas turbines, upang mapabuti ang kapangyarihan at termodinamikong efisiensiya ng makina, ang temperatura sa pasokan ng turbine ay patuloy na tumataas. Ang mga blade ng turbine ay nakakaranas ng impeksyon ng mataas na temperatura ng gas. Kapag patuloy na umuwi ang temperatura sa pasokan ng turbine, hindi na kaya ng hangin lamang na magbigay ng sufisente cooling. Ang thermal barrier coatings, bilang isang epektibong paraan upang mapabuti ang resistensya sa mataas na temperatura at korosyon ng mga material, ay patuloy na pinapalaganap.

Ang mga thermal barrier coating ay karaniwang idinikit sa ibabaw ng lamesa sa pamamagitan ng plasma flame spraying o electron beam deposition. Mayroon silang katangian na mataas na punto ng pagmimulaklak at resistensya sa thermal shock, na maaaring mapabuti ang kakayahan ng mga turbine blade na magresista sa oxidasyon at thermal corrosion, bumaba ang temperatura ng lamesa, at pahabaan ang buhay ng serbisyo ng mga lamesa. Sinikap ni Alizadeh at iba pa ang epekto ng thermal insulation ng 0.2 mm thermal barrier coatings sa pamamagitan ng gas-heat coupling numerical simulation. Ang mga resulta ay nagpapakita na bumaba ang pinakamataas na temperatura ng lamesa ng 19 K at ang average temperatura ng 34 K. Si Prapamonthon at iba pa ay nagsikap sa epekto ng intensidad ng turbulensiya sa cooling efficiency ng mga thermal barrier coating blades. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang mga thermal barrier coatings ay maaaring dagdagan ang pangkalahatang cooling efficiency ng ibabaw ng lamesa mula 16% hanggang 20% at 8% sa trailing edge ng lamesa. Si Zhu Jian at iba pa ay nagtatayo ng isang one-dimensional steady-state model para sa coated blades mula sa pananaw ng termodinamika, at teoretikal na analisado at kinalkuluhang ang epekto ng thermal insulation ng mga thermal barrier coatings. Si Shi Li at iba pa ay gumawa ng numerikal na pag-aaral sa C3X na may thermal barrier coatings. Isang 0.3 mm ceramic layer ay maaaring buma-baba ang temperatura ng ibabaw ng lamesa ng 72.6 K at dagdagan ang pangkalahatang cooling efficiency ng 6.5%. Walang epekto ang thermal barrier coating sa distribusyon ng cooling efficiency ng ibabaw ng lamesa. Si Zhou Hongru at iba pa ay gumawa ng numerikal na pag-aaral sa leading edge ng mga turbine blades na may thermal barrier coatings. Ang mga resulta ay nagpapakita na ang mga thermal barrier coatings ay hindi lamang maaaring buma-baba ang operasyonal na temperatura ng metal blades at ang temperature gradient sa loob ng mga lamesa, kundi pati na rin makipag-resist sa thermal shock ng inlet hot spots sa isang tiyak na antas. Si Yang Xiaoguang at iba pa ay kinalkuluhang ang dalawang-dimensional na temperatura field distribution at stress ng guide vanes na may thermal barrier coatings sa pamamagitan ng pagbibigay ng heat transfer coefficients ng loob at labas na ibabaw ng mga lamesa. Si Wang Liping at iba pa ay gumawa ng tatlong-dimensional na gas-thermal coupling analysis sa turbine guide vanes na may composite cooling structures at sikapin ang epekto ng kapaligiran ng coating at gas radiation sa coating temperature field. Si Liu Jianhua at iba pa ay analisado ang thermal insulation effect ng mga thermal barrier coatings para sa Mark II cooling blades na may multi-layer thermal barrier coatings sa pamamagitan ng pagtatakda ng heat transfer coefficient sa loob at gas-thermal coupling sa labas.

1.Pamamaraan ng Pagkalkula

1.1 Modelo ng Pagkalkula

Matatagpuan ang thermal barrier coating sa pagitan ng gas na mainit at sa ibabaw ng substrate ng alloy ng kuko, at binubuo ito ng metal bonding layer at ng thermal insulation ceramic layer. Ipinapakita ang kanyang pangunahing estraktura sa Figure 1. Sa panahon ng paggawa ng modelo ng pagkalkula, tinatanggihan ang bonding layer na may mas mataas na thermal conductivity sa estraktura ng thermal barrier coating, at kinikonsidera lamang ang thermal insulation ceramic layer na may mas mababang thermal conductivity.

Ang Figure 2 ay nagpapakita ng modelo ng blade matapos ito ay kinuha ng thermal barrier coating. Ang blade ay umaasang maraming channel na rotary cooling structure, may dalawang exhaust film cooling holes sa leading edge, isang gitna ng slit structure sa trailing edge, at isang H-shaped groove structure sa dulo ng blade. Ang thermal barrier coating ay ipinuputol lamang sa katawan ng blade at sa ibabaw ng lower edge plate. Dahil ang temperatura sa ilalim ng blade root ay mababa at hindi ito ang pokus ng pag-aaral, upang bawasan ang bilang ng computational grids, tinatanggihan ang bahagi sa ilalim ng ugat kapag sinusuri ang computational model, at ginawa ang computational domain model na ipinapakita sa Figure 3.

1.2Numerical calculation method

Ang panloob na heometriya ng turbineng palamuti ay kumplikado, at mahirap gamitin ang mga strukturadong grid. Ang paggamit ng mga unstructured grid ay siginifikanteng nagdidagdag sa dami ng pagkalkula. Sa katunayan, ang artikulong ito ay gumagamit ng polyhedral grid generator upang mag-mesh sa palamuti at gas domain. Ang modelo ng mesh ay ipinapakita sa Figura 4.

Sa modelo ng pagkalkula, ang kapaligiran ng thermal barrier coating ay napakaliit, mas maliit sa isang 10 na bahagi ng kapaligiran ng pader ng palamuti. Dahil dito, ang artikulong ito ay gumagamit ng isang thin mesh generator upang ibahagi ang thermal barrier coating sa tatlong layer ng poligonal na prismatikong mesh. Sinubokan na ang bilang ng mga layer ng thin mesh ay independiyente, at ang bilang ng mga layer ng thin mesh ay walang malaking epekto sa temperatura ng palamuti.

Ang fluid domain ay nag-aangkop ng Realizable K-Epsilon Two-Layer model sa Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS) turbulence model. Nagbibigay ang model na ito ng mas malawak na fleksibilidad para sa proseso ng mesh sa buong y+ wall. Maaari itong magamit hindi lamang para sa maliit na mga mesh (hal., low Reynolds number type o low y+ meshes), kundi pati na rin para sa mga intermediate na mesh (hal., 1＜y+＜30) sa pinakamalas na paraan, na maaaring makabalance nang epektibo sa pagitan ng estabilidad, computational cost, at katumpakan.

1.3Mga kondisyon sa hangganan

Itinakda ang gas inlet bilang isang total pressure stagnation inlet, ang cooling air inlet bilang mass flow inlet, at ang outlet bilang isang static pressure outlet. Ang coating surface sa gas channel ay itinakda bilang isang fluid-solid coupling surface, ang coating at ang blade metal surface ay itinakda bilang solid interface, at ang dalawang panig ng channel ay itinakda bilang rotation period. Parehong ideal gases ang cold gas at ang gas, at ang gas heat capacity at thermal conductivity ay itinakda gamit ang Sutherland formula. Ang mga kinakailangang pagkuha sa pagsukat ay: ang kabuuang presyon ng mainstream inlet ng gas channel ay 2.5 MPa, ang temperatura ng inlet na may radial temperature gradient ay ipinapakita sa Figura 5, ang halaga ng pagdami ng malamig na gas sa inlet ng cold channel sa loob ng blade ay 45 g/s, ang kabuuang temperatura ay 540 ℃, at ang presyon ng outlet ay 0.9 MPa. Ang anyo ng material ng blade ay isang nickel-based single crystal mataas na-temperatura na alloy, at ang thermal conductivity ng material ay nagbabago batay sa temperatura. Sa kasalukuyan, ang thermal barrier coatings ay karaniwang gumagamit ng matatag na yttria zirconium oxide (YSZ) materials o zirconium oxide (ZrO2), kung saan maliit ang pagbabago ng kanilang thermal conductivity sa temperatura, kaya itinakda ito sa 1.03 W/(m·K) sa pagsukat.

2 Analisis ng mga resulta ng pagkalkula

2.1 Temperatura ng ibabaw ng blade

Ang mga Figura 6 at 7 ay ipinapakita ang pagkakabahagi ng temperatura sa ibabaw ng di-nakakalat na tabak at ang pagkakabahagi ng temperatura ng metal sa ibabaw ng tabak sa iba't ibang kapaligiran ng coating, sa kabila ng bawat isa. Makikita na habang patuloy na tumataas ang kapaligiran ng coating, ang temperatura ng metal sa ibabaw ng tabak ay mabagal na bumaba, at ang batayang paternong pang-temperatura ng metal sa ibabaw ng tabak sa iba't ibang kapaligiran ay halos pareho, mas mababa ang temperatura sa gitna ng presyo at mas mataas sa dulo ng tabak. Ang dulo ng tabak ay karaniwang ang pinakamahirap na bahagi ng buong tabak na malamigin, at mahirap lamang lamigin ang sulok ng dulo ng tabak gamit ang malamig na hangin. Sa modelo ng pagsukat, ang coating ay naglalapat lamang sa ibabaw ng katawan ng tabak, at hindi nakakalat ang dulo ng tabak. Walang epekto ng barrier sa init mula sa gas-side ng dulo ng tabak, kaya umiiral pa rin ang lugar ng mataas na temperatura sa dulo ng tabak.

Ang Figure 8 ay nagpapakita ng kurba ng promedio ng temperatura ng ibabaw na metal ng kutsilyo na nagbabago kasama ang kapaligiran. Makikita na ang promedio ng temperatura ng ibabaw na metal ng kutsilyo ay bumababa habang tumataas ang kapaligiran ng coating. Ito dahil mababa ang kondutibidad ng init ng thermal barrier coating, na nagdadagdag ng resistensya sa init pagitan ng mataas na init na gas at metal na kutsilyo, epektibo na pumipigil sa temperatura ng ibabaw na metal ng kutsilyo. Kapag ang kapaligiran ng coating ay 0.05 mm, bumababa ang promedio ng temperatura ng katawan ng kutsilyo ng 21 °C, at pagkatapos ay habang tumataas ang kapaligiran ng thermal barrier coating, patuloy na bumababa ang temperatura ng ibabaw ng kutsilyo; kapag ang kapaligiran ng coating ay 0.20 mm, bumababa ang promedio ng temperatura ng katawan ng kutsilyo ng 49 °C. Ito ay halos konsistente sa epekto ng pigil sa init na nimatronan ni Zhang Zhiqiang at iba pa sa pamamagitan ng pagsubok ng cold effect.

Ang Figure 9 ay isang kurba na ipinapakita ang pagbabago ng temperatura ng ibabaw ng bahagi ng sundang sa loob ng haba ng axial chord. Maaaring makita mula sa Figure 9, sa ilalim ng magkakaibang kapaligiran ng thermal barrier coatings, ang trend ng pagbabago ng temperatura sa loob ng haba ng axial chord ay halos pareho, at ang temperatura ng suction surface ay malaki ang taas kaysa sa temperatura ng pressure surface. Sa direksyon ng haba ng axial chord, ang temperatura ng pressure surface at suction surface ay una umabot bago lumago, at mayroong tiyak na pagkilat sa rehiyon ng trailing edge, na dulot ng anyo ng estraktura ng split-slit spray cooling sa gitna ng trailing edge. Sa parehong panahon, ang temperatura ng sundang na may thermal barrier coating ay bumababa nang malaki, at ang pagbaba ng temperatura sa suction surface ay malaki pa kaysa sa pressure surface. Ang pagbaba ng temperatura ay pumipitak mula sa leading edge patungo sa trailing edge, at hinuhubog ang mas malaking pagbaba ng temperatura sa karatig leading edge ng sundang.

Ang pagkakaisa ng temperatura ng metal ng tabak ay nakakaapekto sa antas ng thermal stress ng tabak, kaya ginagamit ng artikulong ito ang temperatura uniformity index upang sukatin ang pagkakaisa ng temperatura ng solid blade. Temperatura uniformity index:

Kung saan: c ay ang volyum ng bawat yunit, T- ay ang pamimithi ng temperatura ng volyum, Tc ay ang halaga ng temperatura sa grid unit, at Vc ay ang volyum ng grid unit. Kung ang volyum ng temperatura field ay regular na kinabibilangan, ang volyum uniformity index ay 1. Gayunpaman, maaaring makita sa Figura 10, pagkatapos mag-spray ng thermal barrier coating, ang temperatura uniformity ng tabak ay napabuti nang malaki. Kapag ang kapal ng coating ay 0.2 mm, ang temperatura uniformity index ng tabak ay tumataas ng 0.4%.

2.2 Temperatura ng ibabaw ng coating

Ang pagbabago ng temperatura ng ibabaw ng coating ay ipinapakita sa Figura 11. Gaya ng makikita mula sa Figura 11, habang tumataas ang kapaligiran ng coating, patuloy na umuusbong ang temperatura ng ibabaw ng thermal barrier coating, na kabaligtaran nito ang pangkalahatang trend ng pagbabago ng temperatura ng ibabaw ng tsip. Habang dumadagok ang resistensya ng init sa direksyon ng kapaligiran ng coating, dumadagok din ang temperatura sa pagitan ng ibabaw ng coating at ng ibabaw ng tsip, at mas mahirap magmamalay ang nakumukumpol na init sa ibabaw upang mabawasan patungo sa metal na tsip. Kapag ang kapaligiran ng coating ay 0.20 mm, umabot ang temperatura sa pagitan ng loob at labas ng coating sa 86 °C.

2.3 Temperatura ng kross-seksyon ng tsip

Ang Figure 12 ay nagpapakita ng pagkakahati ng temperatura ng unang at huling bahagi ng mga tsina may o wala thermal barrier coatings. Pagkatapos na may coating ang ibabaw na ito ng thermal barrier coatings, mabilis na bumaba ang temperatura ng krosg-seksyon ng tsina, at naiabala ang gradiyent ng temperatura. Ito ay dahil pagkatapos na ipinapatong ang thermal barrier coating, binawasan ang density ng heat flux sa loob ng coating. Sa parehong panahon, dahil mababang kondutibidad ng init ang anyo ng thermal barrier coating, malubhang pagbabago ang temperatura sa loob ng solid na anyo ng thermal barrier coating.

KONTAKTAN NAMIN

Salamat sa iyong interes sa aming kompanya! Bilang isang propesyonal na gumaganap na kompanya sa paggawa ng mga parte ng gas turbine, patuloy naming ituturok ang pag-unlad ng teknolohiya at serbisyo upang magbigay ng higit pang mataas na kalidad na solusyon para sa mga customer sa buong daigdig. Kung mayroon kang anumang tanong, suhestiyon o intensyon sa pakikipagtulak-tulak, masaya kami na tulungan ka. Mangyaring kontakin kami sa mga sumusunod na paraan:

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