Estudi sobre el mecanisme d’influència del recobriment de barrera tèrmica sobre l’efecte de refrigeració de les fulles de la turbina d’un determinat tipus de turbina de gas
Per obtenir l’efecte d’aïllament tèrmic i la llei de distribució de la temperatura del recobriment de barrera tèrmica sobre les fulles de la turbina, es va utilitzar com a model bàsic un tipus de tipus de turbina de turbina de turbina de gas amb estructura de refrigeració interna. L’efecte de refrigeració de la fulla que es mou de la turbina d’alta pressió amb o sense protecció contra el recobriment de barrera tèrmica es va calcular numèricament mitjançant mètode d’acoblament de la calor de gas i es va estudiar la influència del recobriment de barrera tèrmica en la transferència de calor de les fulles canviant el gruix del recobriment de barrera tèrmica. L’estudi va trobar que després del recobriment amb el recobriment de barrera tèrmica, la temperatura de la fulla va caure significativament, més a prop de la vora principal, més gran és la caiguda de la temperatura i la caiguda de la temperatura al costat de la pressió era superior a la del costat de succió; La barrera tèrmica recobrint amb un gruix de 0. 05-0. 2 mm pot reduir la temperatura mitjana de la superfície metàl·lica de la fulla per {{6} graus; A mesura que augmenta el gruix del recobriment, la distribució de la temperatura dins del metall de la fulla es farà més uniforme.
En el desenvolupament de les turbines de gas, per millorar la potència i l'eficiència tèrmica del motor, la temperatura d'entrada de la turbina també augmenta. Les fulles de turbina estan sotmeses a l’impacte del gas a alta temperatura. Quan la temperatura de l’entrada de la turbina continua augmentant, el refredament de l’aire ja no pot complir els requisits. S'han utilitzat cada cop més els recobriments de barrera tèrmica, com a mitjà eficaç per millorar la resistència a la temperatura i la resistència a la corrosió dels materials.
Els recobriments de barrera tèrmica s’adhereixen generalment a la superfície de la fulla mitjançant ruixat de flama de plasma o deposició de feixos d’electrons. Tenen les característiques de l’elevat punt de fusió i la resistència al xoc tèrmic, que poden millorar la capacitat de les fulles de la turbina per resistir l’oxidació i la corrosió tèrmica, reduir la temperatura de la fulla i ampliar la vida útil de les fulles. Alizadeh et al. Es va estudiar l'efecte d'aïllament tèrmic de {{0}}. 2 mm recobriments de barrera tèrmica mitjançant simulació numèrica d'acoblament de la calor de gas. Els resultats van mostrar que la temperatura màxima de la fulla es va reduir en 19 K i la temperatura mitjana es va reduir en 34 K. Prapamonthon et al. Va estudiar l'efecte de la intensitat de la turbulència sobre l'eficiència de refrigeració de les fulles de recobriment de barrera tèrmica. Els resultats van mostrar que els recobriments de barrera tèrmica poden augmentar l'eficiència de refrigeració completa de la superfície de la fulla d'un 16% al 20% i un 8% a la vora final de la fulla. Zhu Jian et al. Va establir un model d’estat estacionari unidimensional per a fulles recobertes des d’una perspectiva termodinàmica i es va analitzar i calcular teòricament l’efecte d’aïllament tèrmic dels recobriments de barrera tèrmica. Shi Li et al. Va realitzar un estudi numèric sobre C3x amb recobriments de barrera tèrmica. Una capa ceràmica de 0,3 mm pot reduir la temperatura de la superfície de la fulla en 72,6 K i augmentar l'eficiència integral de refrigeració en un 6,5%. El recobriment de barrera tèrmica no té cap efecte en la distribució de l'eficiència de refrigeració de la superfície de la fulla. Zhou Hongru et al. Va realitzar un estudi numèric sobre la vora principal de les fulles de la turbina amb recobriments de barrera tèrmica. Els resultats van demostrar que els recobriments de barrera tèrmica no només poden reduir la temperatura de funcionament de les fulles metàl·liques i el gradient de temperatura dins de les fulles, sinó que també resistirà el xoc tèrmic dels punts calents d’entrada fins a cert punt. Yang Xiaoguang et al. Es va calcular la distribució de camp de temperatura bidimensional i l'estrès de les pales de guia amb recobriments de barrera tèrmica donant els coeficients de transferència de calor de les superfícies interiors i exteriors de les fulles. Wang Liping et al. Va realitzar una anàlisi d’acoblament tridimensional de gas-tèrmic sobre les pales de la turbina amb estructures de refrigeració compostes i va estudiar els efectes del gruix de recobriment i la radiació de gas al camp de la temperatura de recobriment. Liu Jianhua et al. Es va analitzar l'efecte d'aïllament tèrmic dels recobriments de barrera tèrmica per a les fulles de refrigeració de Mark II amb recobriments de barrera tèrmica de diverses capes mitjançant la configuració intern del coeficient de transferència de calor i l'acoblament extern de gas-tèrmic de gas.
Mètode de càlcul
Model computacional
El recobriment de barrera tèrmica es troba entre el gas a alta temperatura i la superfície del substrat d’aliatge de la fulla i està compost per una capa d’enllaç metàl·lic i una capa ceràmica d’aïllament tèrmic. La seva estructura bàsica es mostra a la figura 1. Quan es construeix el model de càlcul, s’ignora la capa d’enllaç amb una conductivitat tèrmica més elevada en l’estructura de recobriment de barrera tèrmica i només es conserva la capa ceràmica d’aïllament tèrmic amb menor conductivitat tèrmica.
La figura 2 mostra el model de fulla després d’haver estat recobert de recobriment de barrera tèrmica. La fulla conté una estructura de refrigeració rotativa multicanal, amb dos forats de refrigeració de pel·lícules d’escapament a la vora principal, una estructura de l’escletxa mitjana a la vora final i una estructura de ranura en forma de H a la part superior de la fulla. El recobriment de barrera tèrmica només es ruixat al cos de la fulla i a la superfície de la placa de la vora inferior. Atès que la temperatura per sota de l’arrel de la fulla és baixa i no és el focus de la investigació, per tal de reduir el nombre de reixes computacionals, la part per sota de l’arrel s’ignora en configurar el model computacional i es construeix el model de domini computacional que es mostra a la figura 3.
Mètode de càlcul numèric
La geometria interna de la fulla de refrigeració de la turbina és relativament complexa i és difícil utilitzar reixes estructurades. L’ús de quadrícules no estructurades augmenta significativament la quantitat de càlcul. En aquest sentit, aquest treball utilitza un generador de quadrícules polièdric per malla la fulla i el domini de gas. Divisió de malla, el model de malla es mostra a la figura 4.
En el model de càlcul, el gruix del recobriment de la barrera tèrmica és extremadament petit, inferior a 1/10 del gruix de la paret de la fulla. Per aquesta raó, aquest treball utilitza un generador de malla fina per dividir el recobriment de barrera tèrmica en tres capes de malles prismàtiques poligonals. El nombre de capes de malla fina s'ha verificat independent i el nombre de capes de malla fina gairebé no té cap efecte sobre el camp de temperatura de la fulla.
El domini fluid adopta el model de dues capes de K-epsilon realitzable en el model de turbulències de ReynoldSaverged Navier-Stokes (RANS). Aquest model proporciona una major flexibilitat per al processament de malla de tota la paret Y+. No només pot gestionar bé les malles fines (és a dir, el tipus de nombre baix de Reynolds o les malles Y+ baixes), sinó que també manejar malles intermèdies (és a dir, 1 ＜ y+ ＜ 30) de la manera més precisa, que pot equilibrar efectivament l’estabilitat, el cost computacional i la precisió.
Condicions del límit
L’entrada de gas s’estableix com una entrada d’estancament de pressió total, l’entrada d’aire de refrigeració és una entrada de flux de massa i la sortida s’estableix com a presa de pressió estàtica. La superfície de recobriment del canal de gas s’estableix com una superfície d’acoblament sòlida fluida, el recobriment i la superfície metàl·lica de la fulla s’estableixen com a interfície sòlida i els dos costats del canal s’estableixen com a període de rotació. Tant el gas fred com el gas són gasos ideals, i la capacitat de calor del gas i la conductivitat tèrmica s’estableixen mitjançant la fórmula de Sutherland. Les condicions del límit de càlcul corresponents són: la pressió total de l’entrada principal del canal de gas és de 2,5 MPa, la distribució de la temperatura d’entrada amb el gradient de temperatura radial es mostra a la figura 5, el cabal d’entrada de gas fred del canal fred a la fulla és de 45 g/s, la temperatura total és de 54 {{6} grau i la pressió de sortida de 0,9 mPa. El material de la fulla és un aliatge a alta temperatura a base de níquel i la conductivitat tèrmica del material canvia amb la temperatura. Pel que fa als materials existents, els recobriments de barrera tèrmica utilitzen generalment materials estables de òxid de zirconi (YSZ) o òxid de zirconi (ZRO2), la conductivitat tèrmica de la qual canvia poc amb la temperatura, de manera que la conductivitat tèrmica es fixa en 1,03 W/(M · K) en el càlcul.
2 Anàlisi dels resultats del càlcul
Temperatura superficial de la fulla 2.1
Les figures 6 i 7 mostren la distribució de la temperatura superficial de la fulla no recoberta i la distribució de la temperatura de la superfície metàl·lica de la fulla a diferents gruixos de recobriment, respectivament. Es pot veure que a mesura que el gruix del recobriment continua augmentant, la temperatura superficial metàl·lica de la fulla disminueix gradualment i la llei de distribució de la temperatura de la superfície metàl·lica de la fulla a diferents gruixos és bàsicament la mateixa, la temperatura al mig de la superfície de pressió és més baixa i la temperatura a la punta de la fulla és més alta. La punta de la fulla sol ser la part més difícil de tota la fulla per refredar, i les costelles de la ranura a la punta de la fulla són difícils de refredar directament per l’aire fred. En el model de càlcul, el recobriment només cobreix la superfície del cos de la fulla i la punta de la fulla no està coberta de recobriment. No hi ha cap efecte de barrera sobre la calor del costat del gas de la punta de la fulla, de manera que sempre existeix la zona de temperatura alta a la punta de la fulla.
La figura 8 mostra la corba de la temperatura mitjana de la superfície metàl·lica de la fulla canviant amb gruix. Es pot veure que la temperatura mitjana de la superfície metàl·lica de la fulla disminueix amb l’augment del gruix del recobriment. Això es deu al fet que la conductivitat tèrmica del recobriment de barrera tèrmica és baixa, cosa que augmenta la resistència tèrmica entre el gas a alta temperatura i la fulla metàl·lica, reduint eficaçment la temperatura de la superfície metàl·lica de la fulla. Quan el gruix del recobriment és 0. 0 5 mm, la temperatura mitjana del cos de la fulla disminueix en 21 graus i, a mesura que augmenta el gruix del recobriment de barrera tèrmica, la temperatura de la superfície de la fulla continua disminuint; Quan el gruix del recobriment és de 0,20 mm, la temperatura mitjana del cos de la fulla disminueix en 49 graus. Això és bàsicament coherent amb l’efecte d’aïllament tèrmic mesurat per Zhang Zhiqiang et al. mitjançant la prova d’efecte fred.
La figura 9 és una corba que mostra el canvi de la temperatura superficial de la secció de la fulla al llarg de la longitud de l’acord axial. Com es pot observar a la figura 9, sota diferents gruixos dels recobriments de barrera tèrmica, la tendència del canvi de temperatura al llarg de la longitud de l’acord axial és bàsicament la mateixa, i la temperatura de la superfície de succió és significativament superior a la temperatura de la superfície de pressió. En direcció a la longitud de l’acord axial, la temperatura de la superfície de pressió i la superfície d’aspiració primer disminueix i després augmenta, i hi ha una certa fluctuació a la zona de la vora final, causada per la forma estructural de la refrigeració de polvorització slit-slit al mig de la vora final. Al mateix temps, la temperatura de la fulla recoberta amb el recobriment de barrera tèrmica baixa significativament, i la caiguda de temperatura a la superfície de succió és significativament més gran que la de la superfície de pressió. La caiguda de la temperatura disminueix gradualment des de la vora principal fins a la vora final i, més a prop de la vora principal de la fulla, més gran és la caiguda de la temperatura.
La uniformitat de la temperatura del metall de la fulla afecta el nivell de tensió tèrmica de la fulla, de manera que aquest paper utilitza l’índex d’uniformitat de temperatura per mesurar la uniformitat de la temperatura de la fulla sòlida. Índex d’uniformitat de temperatura:
On: C és el volum de cada unitat, T- és la mitjana de volum de la temperatura T, TC és el valor de temperatura a la unitat de la xarxa i VC és el volum de la unitat de la xarxa. Si el camp de temperatura del volum es distribueix uniformement, l’índex d’uniformitat del volum és 1. Com es pot veure a la figura 1 0, després de ruixar el recobriment de barrera tèrmica, la uniformitat de la temperatura de la fulla es millora significativament. Quan el gruix del recobriment és 0. 2 mm, l’índex d’uniformitat de temperatura de la fulla s’incrementa un 0,4%.
2.2 Temperatura superficial de recobriment
El canvi de temperatura de la superfície de recobriment es mostra a la figura 11. Com es pot observar a la figura 11, a mesura que augmenta el gruix del recobriment, la temperatura superficial del recobriment tèrmic continua augmentant, que és exactament el contrari de la tendència mitjana de canvi de temperatura de la superfície de la fulla. A mesura que la resistència tèrmica augmenta en la direcció del gruix del recobriment, la diferència de temperatura entre la superfície de recobriment i la superfície de la fulla augmenta gradualment, i la calor acumulada a la superfície és més difícil de difondre a la fulla metàl·lica. Quan el gruix del recobriment és 0.
2,3 temperatura de secció de la fulla
La figura 12 mostra la distribució de la temperatura de les vores de les fulles amb i sense recobriments de barrera tèrmica. Després que la superfície estigui recoberta de recobriments de barrera tèrmica, la temperatura transversal de la fulla es redueix significativament i es alleuja el gradient de temperatura. Això es deu al fet que després d’aplicar el recobriment de barrera tèrmica, es redueix la densitat de flux de calor al recobriment. Al mateix temps, atès que el material de recobriment de barrera tèrmica té una conductivitat tèrmica baixa, la temperatura canvia dins del sòlid de recobriment de barrera tèrmica és molt dràstica.
Poseu -vos en contacte amb nosaltres
Gràcies pel vostre interès per la nostra empresa. Com a empresa de fabricació de peces de turbines de gas professional, continuarem compromesos amb la innovació tecnològica i la millora del servei, per proporcionar solucions de més qualitat per a clients de tot el món. Si teniu dubtes, suggeriments o intencions de cooperació, estem més que feliços d’ajudar-vos. Poseu -vos en contacte amb nosaltres de les maneres següents:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
