Tutkimus lämpöesteen pinnoitteen vaikutusmekanismista tietyntyyppisen kaasuturbiinin turbiinien terien jäähdytysvaikutukseen
Lämpöesteen pinnoitteen lämpöeristysvaikutuksen ja lämpötilan jakautumislain saamiseksi turbiinin terissä käytettiin tietyntyyppistä kaasuturbiinin korkeapainetta turbiinin liikkuvaa terää, jolla oli sisäinen jäähdytysrakenne, perusmallina. Korkeapaineisen turbiinin liikkuvan terän jäähdytysvaikutusta lämpöesteen pinnoitesuojauksella tai ilman sitä laskettiin numeerisesti kaasuläpän kytkentämenetelmällä, ja lämpöesteen pinnoitteen vaikutusta terän lämmönsiirtoon tutkittiin muuttamalla lämpöesteen pinnoitteen paksuutta. Tutkimuksessa havaittiin, että pinnoitteen jälkeen lämpöesteillä, terän lämpötila laski merkittävästi, mitä lähempänä etureunaa, sitä suurempi lämpötilan pudotus ja lämpötilan pudotus painepuolella oli suurempi kuin imupuolella; Lämpöeste pinnoite, jonka paksuus on 0. 05-0. 2 mm voi vähentää terän metallipinnan keskilämpötilaa 21-49 asteella; Pinnoitteen paksuuden kasvaessa lämpötilan jakautuminen terän metallin sisällä tulee tasaisemmaksi.
Kaasuturbiinien kehittämisessä moottorin tehon ja lämpötehokkuuden parantamiseksi myös turbiinin sisääntulolämpötila nousee. Turbiinin terät ovat korkean lämpötilan kaasun vaikutuksia. Kun turbiinin sisääntulolämpötila kasvaa edelleen, pelkästään ilmanjäähdytys ei enää täytä vaatimuksia. Lämpöesteitä, jotka ovat tehokkaita keinoja parantaa materiaalien korkean lämpötilankestävyyttä ja korroosionkestävyyttä, on käytetty yhä enemmän.
Lämpöesteen päällysteet tarttuvat yleensä terän pintaan plasman liekin suihkuttamalla tai elektronisäteen kerrostumisella. Niillä on korkea sulamispisteen ja lämpöiskun vastus, mikä voi parantaa turbiinien terien kykyä vastustaa hapettumista ja lämpöroroosiota, vähentää terän lämpötilaa ja pidentää terien käyttöikää. Alizadeh et ai. tutki {{0}}}}. Tulokset osoittivat, että terän maksimilämpötila laski 19 K ja keskilämpötila laski 34 K. Prapamonthon et ai. tutkittiin turbulenssin voimakkuuden vaikutusta lämpöesteen pinnoitusten jäähdytystehokkuuteen. Tulokset osoittivat, että lämpöestepinnoitteet voivat lisätä terän pinnan kattavaa jäähdytystehokkuutta 16 - 20% ja 8% terän takareunassa. Zhu Jian et ai. Perusti yhden ulotteisen vakaan tilan mallin päällystetyille terille termodynaamisesta näkökulmasta ja analysoi teoreettisesti ja laski lämpöerän pinnoitteiden lämpöeristysvaikutuksen. Shi Li et ai. suoritti numeerisen tutkimuksen C3X: stä lämpöesteillä. 0,3 mm: n keraaminen kerros voi vähentää terän pinnan lämpötilaa 72,6 K: lla ja lisätä kattavan jäähdytystehokkuutta 6,5%. Lämpöesteellä ei ole vaikutusta terän pinnan jäähdytystehokkuuden jakautumiseen. Zhou Hongru et ai. suoritti numeerisen tutkimuksen turbiinien terien etureunasta lämpöesteillä. Tulokset osoittivat, että lämpöestepinnoitteet eivät voi vain vähentää metallien terien käyttölämpötilaa ja terien lämpötilagradienttia, vaan myös vastustaa sisääntulon kuumia pisteiden lämpöhakkaa tietyssä määrin. Yang Xiaoguang et ai. Laskettiin kaksiulotteinen lämpötilakentän jakautuminen ja ohjausautojen stressi lämpöesteillä antamalla terien sisä- ja ulkopintojen lämmönsiirtokertoimet. Wang Liping et ai. suoritti kolmiulotteisen kaasu-lämpökytkentäanalyysin turbiinioppaassa, jossa on komposiittijäähdytysrakenteita ja tutki pinnoitteen paksuuden ja kaasun säteilyn vaikutuksia pinnoitteen lämpötilakenttään. Liu Jianhua et ai. Analysoi lämpöestepinnoitteiden lämpöeristysvaikutus Mark II -jäähdytysterille monikerroksisilla lämpöesteillä, asettamalla sisäisesti lämmönsiirtokerroin ja ulkoinen kaasu-lämpökytkentä.
Laskentamenetelmä
Laskentamalli
Lämpöestepinnoite sijaitsee korkean lämpötilan kaasun ja terän seos-substraatin pinnan välissä, ja se koostuu metallisidoskerroksesta ja lämpöeristyksen keraamisesta kerroksesta. Sen perusrakenne on esitetty kuviossa 1. Laskentamallia rakennettaessa sidoskerros, jolla on korkeampi lämmönjohtavuus lämpöesteen pinnoitusrakenteessa, jätetään huomioimatta, ja vain lämpöeristyksen keraaminen keraaminen keraaminen, jolla on alhaisempi lämmönjohtavuus.
Kuvio 2 esittää terän mallin sen jälkeen, kun se on päällystetty lämpöesteellä. Terä sisältää monikanavaisen kiertävän jäähdytysrakenteen, jossa on kaksi pakokaasukalvon jäähdytysreiää etureunassa, keskiosan rakenne takareunassa ja H-muotoinen uran rakenne terän yläosassa. Lämpöestepinnoite ruiskutetaan vain terän runkoon ja alareunan pinnalle. Koska teränjuuren alapuolella oleva lämpötila on alhainen eikä ole tutkimuksen painopiste, laskennallisten verkkojen lukumäärän vähentämiseksi juuren alapuolella olevaa osaa ei oteta huomioon laskennallisen mallin asettamisessa ja kuvassa 3 esitetty laskennallinen aluemalli on rakennettu.
Numeerinen laskentamenetelmä
Turbiinin jäähdytysterän sisäinen geometria on suhteellisen monimutkainen, ja rakenteellisia ruudukkoja on vaikea käyttää. Strukturoimattomien verkkojen käyttö lisää merkittävästi laskelman määrää. Tässä suhteessa tässä artikkelissa käytetään polyhedraalista ruudukkogeneraattoria terän ja kaasukominan silmittimeen. Mesh Division, Mesh -malli on esitetty kuvassa 4.
Laskentamallissa lämpöesteen pinnoitteen paksuus on erittäin pieni, alle 1/10 terän seinämän paksuudesta. Tästä syystä tässä artikkelissa käytetään ohutta mesh -generaattoria jakamaan lämpöestepinnoitteen kolmeen monikerroksen prismaattisten silmien kerroksiin. Ohujen verkkokerrosten lukumäärä on varmistettu olevan riippumaton, ja ohuiden verkkokerrosten lukumäärällä ei ole melkein mitään vaikutusta terän lämpötilakenttään.
Nesteen domeeni hyväksyy realisoitavan K-Epsilonin kaksikerroksisen mallin Reynoldsavered Navier-Stokes -yhtälöiden (RANS) turbulenssimallissa. Tämä malli tarjoaa suuremman joustavuuden koko Y+ -seinän silmänkäsittelyyn. Se ei pysty vain käsittelemään hienoja silmiä (ts. Matala Reynolds -lukutyyppiä tai alhaisia y+ -verkkoja), vaan myös käsittelemään väliverkkoja (ts. 1 ＜ y+ ＜ 30) tarkimmalla tavalla, mikä voi tehokkaasti tasapainottaa vakauden, laskennallisen kustannuksen ja tarkkuuden.
Rajaolosuhteet
Kaasun sisääntulo on asetettu kokonaispaineen pysähtymisen sisääntuloksi, jäähdytysilman sisääntulo on massavirtauksen sisääntulo ja poistoaukko asetetaan staattiseksi paineen poistoksi. Kaasukanavan pinnoituspinta asetetaan neste-kiinteäksi kytkentäpinnaksi, pinnoite ja terän metallipinta asetetaan kiinteäksi rajapinnaksi ja kanavan molemmat puolet asetetaan pyörimisjaksona. Sekä kylmä kaasu että kaasu ovat ihanteellisia kaasuja, ja kaasun lämpökapasiteetti ja lämmönjohtavuus asetetaan Sutherlandin kaavalla. Vastaavat laskentarajaolosuhteet ovat: kaasukanavan valtavirran tuloaukon kokonaispaine on 2,5 MPa, sisälämpötilan jakautumisen säteittäisen lämpötilan gradientin kanssa on esitetty kuviossa 5, kylmän kanavan kylmän kaasun sisääntulon virtausnopeus terässä on 45 g/s, kokonaislämpötila on 54 0 asteessa ja poistopaine on 0,9 MPA. Terämateriaali on nikkelipohjainen yksikristalli korkean lämpötilan seos, ja materiaalin lämmönjohtavuus muuttuu lämpötilan myötä. Nykyisten materiaalien osalta lämpöestepinnoitteet käyttävät yleensä stabiilia yttria -zirkoniumoksidia (YSZ) -materiaaleja tai zirkoniumoksidia (ZRO2), joiden lämmönjohtavuus muuttuu lämpötilan kanssa vähän, joten lämmönjohtavuus asetetaan 1,03 W/(M · K) laskelmassa.
2 Laskentatulosten analyysi
2,1 Terän pinnan lämpötila
Kuviot 6 ja 7 esittävät päällystämättömän terän pintalämpötilan jakautumisen ja terän metallin pinnan lämpötilan jakautumisen vastaavasti eri pinnoitteen paksuuksissa. Voidaan nähdä, että kun pinnoitteen paksuus kasvaa edelleen, terän metallin pintalämpötila laskee vähitellen ja terän metallipinnan lämpötilan jakautumislaki eri paksuuksissa on pohjimmiltaan sama, painepinnan keskellä oleva lämpötila on alhaisempi ja terän kärjen lämpötila on korkeampi. Terän kärki on yleensä koko terän vaikein osa jäähtyä, ja uran kylkiluut terän kärkeen on vaikea jäähtyä suoraan kylmällä ilmalla. Laskentamallissa päällyste kattaa vain terän rungon pinnan, eikä terän kärkeä ole peitetty päällysteellä. Terän kärjen kaasupuolelta ei ole estevaikutusta, joten terän kärjen korkea lämpötila -alue on aina olemassa.
Kuvio 8 esittää terän metallipinnan keskilämpötilan käyrän, joka muuttuu paksuuden kanssa. Voidaan nähdä, että terän metallipinnan keskilämpötila laskee pinnoitteen paksuuden noustessa. Tämä johtuu siitä, että lämpöesteen pinnoitteen lämmönjohtavuus on alhainen, mikä lisää lämpövastusta korkean lämpötilan kaasun ja metalliterän välillä, mikä vähentää terän metallipinnan lämpötilaa tehokkaasti. Kun pinnoitteen paksuus on 0. 0 5 mm, terän rungon keskilämpötila laskee 21 asteessa ja sitten kun lämpöesteitäntä pinnoituksen paksuus nousee, terän pinnan lämpötila jatkuu edelleen; Kun pinnoitteen paksuus on 0,20 mm, terän rungon keskilämpötila laskee 49 asteessa. Tämä on pohjimmiltaan yhdenmukainen Zhang Zhiqiangin et ai. Kylmän vaikutuksen testin kautta.
Kuvio 9 on käyrä, joka näyttää terän osan pintalämpötilan muutoksen aksiaalisen sointupituuden pitkin. Kuten kuviosta 9 voidaan nähdä, lämpöesteen pinnoitteiden eri paksuuksien alla, lämpötilan muutostrendi aksiaalisen soinnun pituuden pitkin on pohjimmiltaan sama ja imupinnan lämpötila on huomattavasti korkeampi kuin painepinnan lämpötila. Aksiaalisen soinnun pituuden suuntaan painepinnan lämpötila ja imupinta laskee ensin ja nousee sitten, ja takareunan alueella on tietty vaihtelu, joka johtuu jaetun liuotetun suihkejäähdytyksen rakenteellisesta muodosta takareunan keskellä. Samanaikaisesti lämpöesteellä päällystetyn terän lämpötila laskee merkittävästi, ja lämpötilan pudotus imupinnalla on huomattavasti suurempi kuin painepinnalla. Lämpötilan pudotus vähenee vähitellen etureunasta takareunaan ja mitä lähempänä terän etureunaa, sitä suurempi lämpötilan pudotus on.
Terämetallilämpötilan yhtenäisyys vaikuttaa terän lämpöjännitysasteeseen, joten tässä paperissa käytetään lämpötilan tasaisuusindeksiä kiinteän terän lämpötilan tasaisuuden mittaamiseksi. Lämpötilan tasaisuusindeksi:
Missä: C on kunkin yksikön tilavuus, t- on lämpötilan t tilavuuskeskiarvo, TC on lämpötila-arvo ruudukkoyksikössä ja VC on ruudukkoyksikön tilavuus. Jos tilavuuden lämpötilakenttä on jakautunut tasaisesti, tilavuuden tasaisuusindeksi on 1. Kuten kuviosta 1 0 voidaan nähdä, lämmön esteen pinnoitteen ruiskuttamisen jälkeen terän lämpötilan tasaisuus paranee merkittävästi. Kun pinnoitteen paksuus on 0. 2 mm, terän lämpötilan tasaisuusindeksi kasvaa 0,4%.
2.2 Pinnoitteen pinnan lämpötila
Pinnoituspinnan lämpötilan muutos on esitetty kuviossa 11. Kuten kuviosta 11 voidaan nähdä, pinnoitteen paksuuden noustessa, lämpöesteen pinnoitteen pintalämpötila kasvaa edelleen, mikä on täsmälleen vastakohta terän pinnan keskilämpötilan muutossuuntauksella. Kun lämpövastus kasvaa pinnoitteen paksuussuunnassa, pinnoituspinnan ja terän pinnan välinen lämpötilaero kasvaa vähitellen, ja kertyneen lämpöä pinnalla on vaikeampaa diffuusiota metalliterälle. Kun pinnoitteen paksuus on 0.
2,3 Terän poikkileikkauslämpötila
Kuvio 12 esittää terien johtavien ja takareunojen lämpötilan jakautumisen lämpöesteellä ja ilman sitä. Kun pinta on päällystetty lämpöesteillä, terän poikkileikkauslämpötila vähenee merkittävästi ja lämpötilagradientti lievitetään. Tämä johtuu siitä, että kun lämpöestepinnoite on levitetty, pinnoitteen lämpövuon tiheys vähenee. Samanaikaisesti, koska lämpöesteen pinnoittimateriaalilla on alhainen lämmönjohtavuus, lämpötilan muutokset lämpöesteen pinnoitteen sisällä on erittäin dramaattinen.
Ota yhteyttä
Kiitos kiinnostuksestasi yrityksemme suhteen! Ammattimaisena kaasuturbiinien osien valmistusyrityksenä olemme edelleen sitoutuneet teknologiseen innovaatioon ja palvelun parantamiseen, tarjotaksemme enemmän korkealaatuisia ratkaisuja asiakkaille ympäri maailmaa. Jos sinulla on kysyttävää, ehdotuksia tai yhteistyö aikomuksia, autamme sinua enemmän kuin mielellämme. Ota meihin yhteyttä seuraavilla tavoilla:
Whatsapp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
