Pētījums par termiskās barjeras pārklājuma ietekmes mehānismu uz noteikta veida gāzes turbīnas turbīnu asmeņu dzesēšanas iedarbību
Lai iegūtu termiskās izolācijas efektu un temperatūras sadalījuma likumu par termisko barjeru pārklājumu uz turbīnas asmeņiem, kā pamata modeli tika izmantots noteikta veida gāzes turbīnu augsta spiediena turbīnu kustīgais asmens ar iekšēju dzesēšanas struktūru. Augsta spiediena turbīnu pārvietojamās asmens dzesēšanas efekts ar vai bez termiskās barjeras pārklājuma aizsardzības tika skaitliski aprēķināts, izmantojot gāzes un sadzīves savienošanas metodi, un termiskās barjeras pārklājuma ietekme uz asmeņu siltuma pārnesi tika pētīta, mainot termiskās barjeras pārklājuma biezumu. Pētījumā tika atklāts, ka pēc pārklājuma ar termisko barjeras pārklājumu asmens temperatūra ievērojami pazeminājās, jo tuvāk priekšējai malai, jo lielāks temperatūras pazemināšanās un temperatūras pazemināšanās spiediena pusē bija lielāks nekā sūkšanas pusē; Termiskās barjeras pārklājums ar biezumu 0. 05-0. 2 mm var samazināt asmeņu metāla virsmas vidējo temperatūru par 21-49 grādu; Palielinoties pārklājuma biezumam, temperatūras sadalījums asmens metāla iekšpusē kļūs vienveidīgāks.
Gāzes turbīnu izstrādē, lai uzlabotu motora jaudu un termisko efektivitāti, palielinās arī turbīnas ieplūdes temperatūra. Turbīnas asmeņi tiek pakļauti augstas temperatūras gāzes ietekmei. Kad turbīnas ieplūdes temperatūra turpina pieaugt, gaisa dzesēšana vien vairs nevar izpildīt prasības. Arvien vairāk tiek izmantoti termiskās barjeras pārklājumi, kas ir efektīvs līdzeklis, lai uzlabotu materiālu izturību pret augstu temperatūru un izturību pret koroziju.
Termiskās barjeras pārklājumus parasti pielīmē asmeņu virsmā ar plazmas liesmas izsmidzināšanu vai elektronu staru nogulsnēšanos. Viņiem ir augstas kušanas temperatūras un izturības pret termisko triecienu īpašības, kas var uzlabot turbīnu asmeņu spēju pretoties oksidēšanai un termiskajai korozijai, samazināt asmeņu temperatūru un pagarināt asmeņu kalpošanas laiku. Alizadeh et al. izpētīja {{0}}}. 2 mm termisko barjeru pārklājumu termiskās izolācijas efektu ar gāzes sadzīves savienojuma skaitlisko simulāciju. Rezultāti parādīja, ka asmens maksimālā temperatūra tika samazināta par 19 K un vidējā temperatūra tika samazināta par 34 K. Prapamonthon et al. pētīja turbulences intensitātes ietekmi uz termisko barjeras pārklājuma asmeņu dzesēšanas efektivitāti. Rezultāti parādīja, ka termiskās barjeras pārklājumi var palielināt asmeņu virsmas visaptverošo dzesēšanas efektivitāti par 16% līdz 20% un 8% asmeņa malā. Zhu Jian et al. izveidoja viendimensiju līdzsvara stāvokļa modeli pārklājumiem asmeņiem no termodinamiskā viedokļa un teorētiski analizēja un aprēķināja termiskās barjeras pārklājumu siltumizolācijas efektu. Shi Li et al. veica skaitlisku pētījumu par C3X ar termisko barjeru pārklājumu. 0,3 mm keramikas slānis var samazināt asmeņu virsmas temperatūru par 72,6 K un palielināt visaptverošo dzesēšanas efektivitāti par 6,5%. Termiskās barjeras pārklājums neietekmē asmeņu virsmas dzesēšanas efektivitātes sadalījumu. Zhou Hongru et al. veica skaitlisku pētījumu par turbīnu asmeņu priekšējo malu ar termisko barjeru pārklājumu. Rezultāti parādīja, ka termiskās barjeras pārklājumi var ne tikai samazināt metāla asmeņu darbības temperatūru un temperatūras gradientu asmeņos, bet arī zināmā mērā pretoties ieplūdes karsto punktu termiskajam triecienam. Yang Xiaoguang et al. Aprēķināts divdimensiju temperatūras lauka sadalījums un virzošo lāpstiņu spriegums ar termiskās barjeras pārklājumiem, dodot asmeņu iekšējo un ārējo virsmu siltuma pārneses koeficientus. Wang Liping et al. Veica trīsdimensiju gāzes un līdzdalības analīzi ar turbīnu virzošo lāpstiņām ar kompozītmateriālu dzesēšanas struktūrām un pētīja pārklājuma biezuma un gāzes starojuma ietekmi uz pārklājuma temperatūras lauku. Liu Jianhua et al. analizēja termiskās barjeras pārklājumu termiskās izolācijas efektu Mark II dzesēšanas asmeņiem ar daudzslāņu termiskās barjeras pārklājumiem, iekšēji nosakot siltuma pārneses koeficientu un ārēju gāzes un līdzekļa savienojumu.
Aprēķina metode
Skaitļošanas modelis
Termiskās barjeras pārklājums atrodas starp augsta temperatūras gāzi un asmeņu sakausējuma substrāta virsmu, un to veido metāla savienojuma slānis un siltumizolācijas keramikas slānis. Tās pamatstruktūra ir parādīta 1. attēlā. Veidojot aprēķina modeli, tiek ignorēts sasaistes slānis ar augstāku siltumvadītspēju siltuma barjeras pārklājuma struktūrā, un tiek saglabāts tikai siltumizolācijas keramikas slānis ar zemāku siltumvadītspēju.
2. attēlā parādīts asmens modelis pēc pārklājuma ar termiskās barjeras pārklājumu. Lāpstiņā ir daudzkanālu rotācijas dzesēšanas struktūra ar diviem izplūdes plēvju dzesēšanas caurumiem priekšējā malā, vidējo spraugas struktūru uz aizmugures malas un H formas rievu struktūru uz asmens augšdaļas. Termiskās barjeras pārklājums tiek izsmidzināts tikai uz asmeņa korpusa un apakšējās malas plāksnes virsmas. Tā kā temperatūra zem asmeņu saknes ir zema un nav pētījumu uzmanības centrā, lai samazinātu skaitļošanas režģu skaitu, skaitļošanas modeļa iestatīšanas daļa zem saknes tiek ignorēta, un tiek veidota 3. attēlā parādītais aprēķina domēna modelis.
Skaitliskā aprēķina metode
Turbīnu dzesēšanas asmens iekšējā ģeometrija ir salīdzinoši sarežģīta, un ir grūti izmantot strukturētos režģus. Nestrukturētu režģu izmantošana ievērojami palielina aprēķina daudzumu. Šajā sakarā šajā dokumentā tiek izmantots daudzslāņa režģa ģenerators, lai piesaistītu asmeni un gāzes domēnu. Acu dalīšana, acs modelis ir parādīts 4. attēlā.
Aprēķina modelī termiskās barjeras pārklājuma biezums ir ārkārtīgi mazs, mazāks par 1/10 asmeņu sienas biezuma. Šī iemesla dēļ šajā dokumentā tiek izmantots plāns acu ģenerators, lai sadalītu termiskās barjeras pārklājumu trīs daudzstūra prizmatisko acu slāņos. Tika pārbaudīts, vai plānu acu slāņu skaits ir neatkarīgs, un plānu acu slāņu skaitam gandrīz nav ietekmes uz asmeņu temperatūras lauku.
Šķidruma domēns izmanto realizējamo K-Epsilon divslāņu modeli ReynoldSaverged Navier-Stokes vienādojumu (RANS) turbulences modelī. Šis modelis nodrošina lielāku elastību visas Y+ sienas acu apstrādei. Tas var ne tikai rīkoties ar smalkām acīm (ti, zems Reinoldsa skaitļa tips vai zemas y+ acis) labi, bet arī apstrādājiet arī starpposma acis (ti, 1 ＜ y+ ＜ 30) visprecīzākajā veidā, kas var efektīvi līdzsvarot stabilitāti, skaitļošanas izmaksas un precizitāti.
Robežnosacījumi
Gāzes ieplūde tiek iestatīta kā kopējais spiediena stagnācijas ieplūde, dzesēšanas gaisa ieplūde ir masas plūsmas ieplūde, un izeja tiek iestatīta kā statiska spiediena izeja. Gāzes kanāla pārklājuma virsma tiek iestatīta kā šķidruma cietā savienojuma virsma, pārklājums un asmens metāla virsma tiek iestatīta kā cieta saskarne, un kanāla abas puses tiek iestatītas kā rotācijas periods. Gan aukstā gāze, gan gāze ir ideālas gāzes, un gāzes siltuma jauda un siltumvadītspēja tiek iestatīta, izmantojot Sutherland formulu. Atbilstošie aprēķina robežas apstākļi ir šādi: Gāzes kanāla vispārējās ieplūdes spiediena kopējais spiediens ir 2,5 MPa, ieplūdes temperatūras sadalījums ar radiālo temperatūras gradientu ir parādīts 5. attēlā, aukstā kanāla aukstās gāzes ieplūdes ātrums asmens ir 45 g/s, kopējais temperatūra ir 54 0 grāds, un ārējais spiediens ir 0,9 MPA. Lāpstiņas materiāls ir uz niķeļa bāzes viena kristāla augstas temperatūras sakausējums, un materiāla siltumvadītspēja mainās ar temperatūru. Ciktāl tas attiecas uz esošajiem materiāliem, termiskās barjeras pārklājumos parasti tiek izmantoti stabili Yttria cirkonija oksīda (YSZ) materiāli vai cirkonija oksīds (ZRO2), kuru termiskā vadītspēja ar temperatūru maz maina, tāpēc termiskā vadītspēja ir iestatīta uz 1,03 W/(m · k) aprēķinā.
2 Aprēķinu rezultātu analīze
2.1 Lāpstiņas virsmas temperatūra
6. un 7. attēlā parādīts attiecīgi nesaistītās asmens un asmens sadalījuma virsmas temperatūras sadalījums dažādos pārklājuma biezumos. Var redzēt, ka, palielinoties pārklājuma biezumam, asmeņa metāla virsmas temperatūra pakāpeniski pazeminās, un asmeņa metāla virsmas temperatūras sadalījuma likums dažādos biezumos būtībā ir vienāds, temperatūra spiediena virsmas vidū ir zemāka, un temperatūra asmeņa galā ir augstāka. Lāpstiņas gals parasti ir visgrūtākā visa asmens daļa, lai atdzesētu, un rievas ribas pie asmeņa galā ir grūti atdzesēt ar aukstu gaisu. Aprēķina modelī pārklājums aptver tikai asmens korpusa virsmu, un asmens gals nav pārklāts ar pārklājumu. No asmeņa uzgaļa gāzes puses nav barjeru efekta, tāpēc asmeņa galā augstā temperatūra vienmēr pastāv.
8. attēlā parādīta asmeņu metāla virsmas vidējās temperatūras līkne, kas mainās ar biezumu. Var redzēt, ka asmeņu metāla virsmas vidējā temperatūra pazeminās, palielinoties pārklājuma biezumam. Tas notiek tāpēc, ka termiskās barjeras pārklājuma siltumvadītspēja ir zema, kas palielina termisko izturību starp augsta temperatūras gāzi un metāla asmeni, efektīvi samazinot asmeņu metāla virsmas temperatūru. Kad pārklājuma biezums ir 0. 0 5 mm, asmeņa korpusa vidējā temperatūra pazeminās par 21 grādu, un pēc tam palielinās siltuma barjeras pārklājuma biezums, asmeņu virsmas temperatūra turpinās samazināties; Kad pārklājuma biezums ir 0,20 mm, asmeņa ķermeņa vidējā temperatūra pazeminās par 49 grādiem. Tas būtībā atbilst siltumizolācijas efektam, ko mēra Zhang Zhiqiang et al. caur aukstās ietekmes testu.
9. attēls ir līkne, kas parāda asmeņu sekcijas virsmas temperatūras izmaiņas gar aksiālā akorda garumu. Kā redzams no 9. attēla, dažādos termisko barjeru pārklājumu biezumos temperatūras maiņas tendence gar aksiālā akorda garumu būtībā ir vienāda, un sūkšanas virsmas temperatūra ir ievērojami augstāka nekā spiediena virsmas temperatūra. Aksiālā akorda garuma virzienā spiediena virsmas un sūkšanas virsmas temperatūra vispirms pazeminās un pēc tam palielinās, un aizmugures malas laukumā ir noteiktas svārstības, ko izraisa sadalītā sižeta dzesēšanas struktūras forma aizmugures malas vidū. Tajā pašā laikā asmens temperatūra, kas pārklāta ar termiskās barjeras pārklājumu, ievērojami pazeminās, un temperatūras pazemināšanās uz sūkšanas virsmas ir ievērojami lielāka nekā spiediena virsmā. Temperatūras kritums pakāpeniski samazinās no priekšējās malas līdz aizmugures malai un, jo tuvāk asmeņa priekšējai malai, jo lielāks temperatūras pazemināšanās.
Lāpstiņas metāla temperatūras vienveidība ietekmē asmens termiskā sprieguma līmeni, tāpēc šajā dokumentā tiek izmantots temperatūras vienveidības indekss, lai izmērītu cietā asmens temperatūras vienveidību. Temperatūras vienveidības indekss:
Kur: C ir katras vienības tilpums, t- ir temperatūras t tilpuma tilpums, tc ir temperatūras vērtība režģa vienībā, un VC ir režģa vienības tilpums. Ja tilpuma temperatūras lauks ir vienmērīgi sadalīts, tilpuma vienveidības indekss ir 1. Kā redzams 1. attēlā 0, pēc termiskās barjeras pārklājuma izsmidzināšanas ir ievērojami uzlabota asmens temperatūras vienveidība. Kad pārklājuma biezums ir 0. 2 mm, asmens temperatūras vienveidības indekss tiek palielināts par 0,4%.
2.2. Pārklājuma virsmas temperatūra
Pārklājuma virsmas temperatūras maiņa ir parādīta 11. attēlā. Kā redzams no 11. attēla, jo palielinās pārklājuma biezums, termiskās barjeras pārklājuma virsmas temperatūra turpina palielināties, kas ir tieši pretējs asmeņa virsmas vidējās temperatūras izmaiņu tendencei. Tā kā siltuma pretestība palielinās pārklājuma biezuma virzienā, pakāpeniski palielinās temperatūras starpība starp pārklājuma virsmu un asmeni, un uzkrāto siltumu uz virsmas ir grūtāk izkliedēt līdz metāla asmenim. Kad pārklājuma biezums ir 0. 20 mm, temperatūras starpība starp pārklājuma iekšpusi un ārpusi sasniedz 86 grādu.
2.3. Lāpstiņas šķērsgriezuma temperatūra
12. attēlā parādīts asmeņu vadošo un aizmugurējo malu temperatūras sadalījums ar termisko barjeru pārklājumu un bez tiem. Pēc tam, kad virsma ir pārklāta ar termiskās barjeras pārklājumiem, asmeņa šķērsgriezuma temperatūra ir ievērojami samazināta, un temperatūras gradients tiek mazināts. Tas notiek tāpēc, ka pēc termiskās barjeras pārklājuma uzklāšanas siltuma plūsmas blīvums pārklājumā tiek samazināts. Tajā pašā laikā, tā kā termiskās barjeras pārklājuma materiālam ir zema siltumvadītspēja, temperatūras izmaiņas termiskās barjeras pārklājuma cietās vielas iekšpusē ir ļoti krasas.
Sazinieties ar mums
Paldies par jūsu interesi par mūsu uzņēmumu! Kā profesionāls gāzes turbīnu detaļu ražošanas uzņēmums mēs turpināsim apņemties tehnoloģiskos jauninājumus un pakalpojumu uzlabojumus, lai klientiem visā pasaulē sniegtu vairāk augstas kvalitātes risinājumu. Ja jums ir kādi jautājumi, ieteikumi vai sadarbības nodomi, mēs esam priecīgi jums palīdzēt. Lūdzu, sazinieties ar mums šādos veidos:
WhatsApp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
