Untersuchung des Einflussmechanismus der Wärmebarrierebeschichtung auf den Kühlungseffekt von Turbinenschaufeln einer bestimmten Art von Gasturbine
Um den thermischen Isolierungseffekt und das Temperaturverteilungsgesetz der Wärmeleitbeschichtung auf Turbinenschaufeln zu erhalten, wurde als Grundmodell eine bestimmte Art von Hochdruck-Turbinen-Moving-Blatt mit einer Innenkühlstruktur verwendet. Der Abkühlungseffekt von Hochdruckturbinen, die sich mit oder ohne thermische Barrierebeschichtung bewegen, wurde numerisch durch Gaswärmekupplungsmethode berechnet, und der Einfluss der thermischen Barrierebeschichtung auf die Übertragung von Klingenwärme wurde untersucht, indem die Dicke der thermischen Barrierbeschichtung verändert wurde. Die Studie ergab, dass nach der Beschichtung mit der thermischen Barrierebeschichtung die Temperatur der Klinge signifikant zurückging, desto näher an der Vorderkante desto größer war der Temperaturabfall und der Temperaturabfall auf der Druckseite größer als die auf der Saugseite. Die thermische Barrierebeschichtung mit einer Dicke von 0. 05-0. 2 mm kann die durchschnittliche Temperatur der Blattmetalloberfläche durch 21-49 Grad reduzieren; Mit zunehmender Beschichtungsdicke wird die Temperaturverteilung im Blattmetall gleichmäßiger.
Bei der Entwicklung von Gasturbinen, um die Leistung und die thermische Effizienz des Motors zu verbessern, nimmt auch die Turbineneinlassestemperatur zu. Die Turbinenklingen sind dem Einfluss von Hochtemperaturgas ausgesetzt. Wenn die Turbineneinlasstemperatur weiter zunimmt, kann die Luftkühlung allein die Anforderungen nicht mehr erfüllen. Thermische Barrierebeschichtungen als wirksames Mittel zur Verbesserung des Hochtemperaturwiderstands und der Korrosionsbeständigkeit von Materialien wurden zunehmend verwendet.
Thermische Barrierebeschichtungen werden im Allgemeinen durch Plasmaflammsprüh- oder Elektronenstrahlabscheidung an der Klingenoberfläche eingehalten. Sie haben die Eigenschaften eines hohen Schmelzpunkts und des Widerstands gegen thermischen Schock, was die Fähigkeit von Turbinenblättern verbessern kann, Oxidation und thermische Korrosion zu widerstehen, die Klingentemperatur zu reduzieren und die Lebensdauer von Klingen zu verlängern. Alizadeh et al. untersuchte den thermischen Isolierungseffekt von {{{0}}. 2 mm Wärmebarrierbeschichtungen durch numerische Simulation von Gaswärmekopplungen. Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Temperatur der Klinge um 19 K reduziert wurde und die durchschnittliche Temperatur um 34 K. Prapamonthon et al. untersuchte die Wirkung der Turbulenzintensität auf die Kühlungseffizienz von Wärmesperrschichtblättern. Die Ergebnisse zeigten, dass thermische Barrierebeschichtungen die umfassende Kühlungseffizienz der Klingenoberfläche um 16 bis 20 Prozent und 8 Prozent am hinteren Rand der Klinge erhöhen können. Zhu Jian et al. etablierte ein eindimensionales Steady-State-Modell für beschichtete Klingen aus thermodynamischer Perspektive und analysierte theoretisch den thermischen Isolierungseffekt von thermischen Barrierebeschichtungen. Shi Li et al. führte eine numerische Studie an C3X mit Wärmeleitbeschichtungen durch. Eine 0,3 -mm -Keramikschicht kann die Oberflächentemperatur der Klingen um 72,6 K verringern und die umfassende Kühlungseffizienz um 6,5 Prozent erhöhen. Die thermische Barrierebeschichtung hat keinen Einfluss auf die Verteilung der Kühlungseffizienz der Klingenoberfläche. Zhou Hongru et al. führte eine numerische Untersuchung an der Vorderkante von Turbinenblättern mit thermischen Barrierebeschichtungen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass thermische Barrierebeschichtungen nicht nur die Betriebstemperatur von Metallschaufeln und den Temperaturgradienten in den Klingen reduzieren können, sondern auch dem thermischen Schock der Einlass -Hotspots in gewissem Maße widerstehen. Yang Xiaoguang et al. Berechnete die zweidimensionale Temperaturfeldverteilung und die Spannung von Führungsschütteln mit thermischen Barrierebeschichtungen, indem die Wärmeübertragungskoeffizienten der inneren und äußeren Oberflächen der Klingen verleiht. Wang Liping et al. führte eine dreidimensionale gas-thermische Kopplungsanalyse auf Turbinenführer mit Verbundkühlstrukturen durch und untersuchte die Auswirkungen der Beschichtungsdicke und Gasstrahlung auf das Feld der Beschichtungstemperatur. Liu Jianhua et al. Analysierte den Wärmeisolierungseffekt von thermischen Barrierebeschichtungen auf Mark II-Kühlblätter mit mehrschichtigen thermischen Barrierebeschichtungen, indem der Wärmeübertragungskoeffizient und die externe gas-thermische Kopplung intern festgelegt wurde.
Berechnungsmethode
Computermodell
Die thermische Barrierebeschichtung befindet sich zwischen dem Hochtemperaturgas und der Oberfläche des Substrats mit Klingenlegierung und besteht aus einer Metallbindungsschicht und einer thermischen Isolationskeramikschicht. Seine Grundstruktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Beim Bau des Berechnungsmodells wird die Bindungsschicht mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit in der thermischen Barrierebeschichtungsstruktur ignoriert, und nur die Keramikschicht mit thermischer Isolierung mit geringerer thermischer Leitfähigkeit wird erhalten.
Abbildung 2 zeigt das Klingenmodell, nachdem er mit einer thermischen Barrierebeschichtung beschichtet wurde. Die Klinge enthält eine Multi-Channel-Rotationskühlstruktur mit zwei Abgabfilmkühllöchern an der Vorderkante, einer mittleren Schlitzstruktur am hinteren Rand und einer H-förmigen Rillenstruktur auf der Klinge. Die thermische Barrierebeschichtung wird nur auf den Klingenkörper und die Oberfläche der unteren Kante gesprüht. Da die Temperatur unterhalb der Klingenwurzel niedrig ist und nicht im Mittelpunkt der Forschung liegt, wird der Teil, das unter dem Wurzel unterhalb der Wurzel das Rechenmodell festgelegt wird, und das in Abbildung 3 gezeigte Rechendomänenmodell ignoriert.
Numerische Berechnungsmethode
Die interne Geometrie der Turbinenkühlklinge ist relativ komplex und es ist schwierig, strukturierte Gitter zu verwenden. Die Verwendung unstrukturierter Gitter erhöht die Berechnung erheblich. In diesem Zusammenhang verwendet dieses Papier einen polyedrischen Gittergenerator, um die Klinge und die Gasdomäne zu verwandeln. Mesh Division, das Netzmodell ist in Abbildung 4 dargestellt.
Im Berechnungsmodell ist die Dicke der thermischen Barrierebeschichtung extrem klein, weniger als 1/10 der Dicke der Klingenwand. Aus diesem Grund verwendet dieses Papier einen dünnen Netzgenerator, um die thermische Barrierebeschichtung in drei Schichten polygonaler prismatischer Maschen zu teilen. Es wurde verifiziert, dass die Anzahl der dünnen Netzschichten unabhängig ist, und die Anzahl der dünnen Netzschichten hat fast keinen Einfluss auf das Feld der Klingentemperatur.
Die Flüssigkeitsdomäne übernimmt das Turyer-Modell von ReynoldSadered Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) Turbulenzmodell. Dieses Modell bietet eine größere Flexibilität für die Netzverarbeitung der gesamten Y plus Wand. Es kann nicht nur feine Meshes (dh niedrige Reynolds -Zahlentyp oder niedrige y plus meshes) gut verarbeiten, sondern auch Zwischennetz (dh 1 ＜ y plus ＜ 30) auf die genaue Weise umgehen, was Stabilität, Rechenkosten und Genauigkeit effektiv ausgleichen kann.
Randbedingungen
Der Gaseinlass wird als Gesamtdruckstagnationseinlass eingestellt, der Kühllufteinlass ist ein Massenströmungseinlass und das Auslass wird als statischer Druckauslass eingestellt. Die Beschichtungsoberfläche im Gaskanal wird als flüssiger-solide Kopplungsfläche eingestellt. Die Beschichtung und die Blattmetalloberfläche werden als feste Grenzfläche eingestellt, und die beiden Seiten des Kanals werden als Rotationsperiode eingestellt. Sowohl das Kaltgas als auch das Gas sind ideale Gase, und die Gaswärmekapazität und die thermische Leitfähigkeit werden unter Verwendung der Sutherland -Formel festgelegt. Die entsprechenden Berechnungsgrenzenbedingungen sind: Der Gesamtdruck des Mainstream -Einlasses des Gaskanals beträgt 2,5 MPa, die Einlasse -Temperaturverteilung mit Radialtemperaturgradienten ist in Abbildung 5 dargestellt. Die kalte Gaseinlassströmungsrate des kalten Kanals im Blatt beträgt 45 g/s, die Gesamttemperatur beträgt 54 0}} und der Ausgangsdruck beträgt 0,9 MPA. Das Klingenmaterial ist eine Ein-Kristall-Hochtemperaturlegierung auf Nickelbasis, und die thermische Leitfähigkeit des Materials ändert sich mit der Temperatur. In Bezug auf bestehende Materialien verwenden thermische Barrierebeschichtungen im Allgemeinen stabile Yttria -Zirkoniumoxid (YSZ) -Materialien oder Zirkoniumoxid (ZRO2), deren thermische Leitfähigkeit mit der Temperatur wenig ändert, sodass die thermische Leitfähigkeit in der Berechnung auf 1,03 W/(m · k) eingestellt ist.
2 Analyse der Berechnungsergebnisse
2,1 Flügeloberflächentemperatur
Die Abbildungen 6 und 7 zeigen die Oberflächentemperaturverteilung der unbeschichteten Klinge und die Metalloberflächentemperaturverteilung der Klinge bei verschiedenen Beschichtungsdicken. Es ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Anstieg der Beschichtendicke die Metalloberflächentemperatur der Klinge allmählich abnimmt und das Temperaturverteilungsgesetz der Metalloberfläche der Klinge in verschiedenen Dicken im Grunde gleich ist, die Temperatur in der Mitte der Druckoberfläche niedriger und die Temperatur an der Klingenspitze höher ist. Die Klingenspitze ist normalerweise der schwierigste Teil der gesamten Klinge zum Abkühlen, und die Rillenrippen an der Klingenspitze sind schwer direkt durch kalte Luft abzukühlen. Im Berechnungsmodell bedeckt die Beschichtung nur die Oberfläche des Klingenkörpers, und die Klingenspitze ist nicht mit Beschichtung bedeckt. Die Wärme von der Gasseite der Klingenspitze hat keinen Barriere -Effekt, sodass der Hochtemperaturbereich an der Klingenspitze immer existiert.
Abbildung 8 zeigt die Kurve der durchschnittlichen Temperatur der mit der Dicke veränderten Blattmetalloberfläche. Es ist ersichtlich, dass die durchschnittliche Temperatur der Blattmetalloberfläche mit zunehmender Beschichtungsdicke abnimmt. Dies liegt daran, dass die thermische Leitfähigkeit der thermischen Barrierebeschichtung niedrig ist, was den thermischen Widerstand zwischen dem Hochtemperaturgas und dem Metallblatt erhöht und die Temperatur der Blattmetalloberfläche effektiv verringert. Wenn die Beschichtungsdicke 0. 0 5 mm ist, nimmt die durchschnittliche Temperatur des Klingenkörpers um 21 Grad ab, und dann nimmt die Dicke der Wärmebarrierbeschichtung ab, die Temperatur der Klingenoberfläche nimmt weiter zu; Wenn die Beschichtungsdicke 0,20 mm beträgt, nimmt die Durchschnittstemperatur des Klingenkörpers um 49 Grad ab. Dies steht im Grunde genommen mit dem von Zhang Zhiqiang et al. durch den Kalten Effekt -Test.
Abbildung 9 ist eine Kurve, die die Änderung der Oberflächentemperatur des Klingenabschnitts entlang der axialen Akkordlänge zeigt. Wie aus Abbildung 9 hervorgeht, ist der Temperaturänderungstrend entlang der axialen Akkordlänge im Grunde genommen gleich und die Temperatur der Saugoberfläche signifikant höher als die Temperatur der Druckoberfläche. In Richtung der axialen Akkordlänge nimmt die Temperatur der Druckoberfläche und die Saugoberfläche zuerst ab und nimmt dann zu, und es gibt eine gewisse Schwankung im Hinterkantenbereich, die durch die strukturelle Form der Spray-Sprühkühlung in der Mitte der Ablaufkante verursacht wird. Gleichzeitig sinkt die mit der thermischen Barrierebeschichtung beschichtete Temperatur erheblich und der Temperaturabfall auf der Saugoberfläche ist signifikant größer als die auf der Druckoberfläche. Der Temperaturabfall nimmt allmählich von der Vorderkante bis zur Hinterkante ab und desto näher an der Vorderkante der Klinge ist der Temperaturabfall desto größer.
Die Gleichmäßigkeit der Blattmetalltemperatur beeinflusst das thermische Spannungsniveau der Klinge, sodass in diesem Papier der Temperaturgleichmäßigkeitsindex die Temperaturgleichmäßigkeit der festen Klinge gemessen wird. Temperatur Gleichmäßigkeitsindex:
Wo: c das Volumen jeder Einheit ist, ist das Volumendurchschnitt der Temperatur t, TC ist der Temperaturwert in der Netzeinheit und VC ist das Volumen der Gittereinheit. Wenn das Feld der Volumentemperatur gleichmäßig verteilt ist, beträgt der Volumen Gleichmäßigkeitsindex 1. Wie aus Abbildung 1 0 ersichtlich ist, wird nach dem Sprühen der thermischen Barrierebeschichtung die Temperatureingleichheit der Klinge erheblich verbessert. Wenn die Beschichtungsdicke 0. 2 mm ist, wird der Temperaturgleichmäßigkeitsindex der Klinge um 0,4 Prozent erhöht.
2.2 Oberflächentemperaturbeschichtungstemperatur
Die Temperaturänderung der Beschichtungsoberfläche ist in Abbildung 11 dargestellt. Wie aus Abbildung 11 ersichtlich ist, steigt die Beschichtungsdicke an, die Oberflächentemperatur der Wärmeleitbeschichtung steigt fort, was genau das Gegenteil des durchschnittlichen Temperaturänderungstrends der Blattoberfläche ist. Wenn der thermische Widerstand in der Beschichtungsdickenrichtung zunimmt, nimmt der Temperaturunterschied zwischen der Beschichtungsoberfläche und der Klingenoberfläche allmählich zu, und die akkumulierte Wärme auf der Oberfläche ist schwieriger auf die Metallklinge zu diffundieren. Wenn die Beschichtungsdicke 0. 20 mm ist, erreicht der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenseiter der Beschichtung 86 Grad.
2.3 Klingenquerschnittstemperatur
Abbildung 12 zeigt die Temperaturverteilung der führenden und ablaufenden Ränder von Klingen mit und ohne Wärmesperrbeschichtungen. Nachdem die Oberfläche mit thermischen Barrierebeschichtungen überzogen ist, wird die Querschnittstemperatur der Klinge signifikant reduziert und der Temperaturgradient lindert. Dies liegt daran, dass die Wärmeflussdichte in der Beschichtung verringert wird, nachdem die thermische Barrierebeschichtung aufgetragen wurde. Gleichzeitig sind die Temperaturänderungen innerhalb des thermischen Barrierebeschichtungsfestes sehr drastisch.
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