Nghiên cứu về cơ chế ảnh hưởng của lớp phủ hàng rào nhiệt đối với hiệu ứng làm mát của lưỡi tuabin của một loại tuabin khí nhất định
Để có được hiệu ứng cách nhiệt và định luật phân phối nhiệt độ của lớp phủ rào cản nhiệt trên lưỡi tuabin, một loại lưỡi tuabin áp suất cao nhất định của tuabin khí với cấu trúc làm mát bên trong được sử dụng làm mô hình cơ bản. Hiệu ứng làm mát của lưỡi di chuyển tuabin áp suất cao có hoặc không có bảo vệ lớp phủ của rào cản nhiệt được tính bằng số bằng phương pháp khớp nối nhiệt và ảnh hưởng của lớp phủ rào nhiệt đối với việc truyền nhiệt lưỡi được nghiên cứu bằng cách thay đổi độ dày của lớp phủ hàng rào nhiệt. Nghiên cứu cho thấy sau khi phủ bằng lớp phủ hàng rào nhiệt, nhiệt độ của lưỡi dao giảm đáng kể, càng gần cạnh đầu, nhiệt độ giảm càng lớn và giảm nhiệt độ ở phía áp suất lớn hơn so với phía hút; Lớp phủ rào chắn nhiệt với độ dày 0. 05-0. 2 mm có thể làm giảm nhiệt độ trung bình của bề mặt kim loại lưỡi bởi 21-49 độ; Khi độ dày lớp phủ tăng, sự phân bố nhiệt độ bên trong kim loại lưỡi sẽ trở nên đồng nhất hơn.
Trong sự phát triển của các tuabin khí, để cải thiện năng lượng và hiệu suất nhiệt của động cơ, nhiệt độ đầu vào tuabin cũng đang tăng lên. Các lưỡi tuabin phải chịu tác động của khí nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ đầu vào tuabin tiếp tục tăng, việc làm mát không khí một mình không còn đáp ứng các yêu cầu. Lớp phủ hàng rào nhiệt, như một phương tiện hiệu quả để cải thiện khả năng chống nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn của vật liệu, đã được sử dụng ngày càng nhiều.
Lớp phủ rào cản nhiệt thường được gắn vào bề mặt lưỡi bằng cách phun lửa plasma hoặc lắng đọng chùm electron. Chúng có các đặc điểm của điểm nóng chảy cao và khả năng chống sốc nhiệt, có thể cải thiện khả năng của lưỡi tuabin để chống lại quá trình oxy hóa và ăn mòn nhiệt, giảm nhiệt độ lưỡi và kéo dài tuổi thọ của lưỡi dao. Alizadeh et al. đã nghiên cứu hiệu ứng cách nhiệt của {{0}}. Lớp phủ nhiệt độ nhiệt 2 mm bằng cách mô phỏng số khớp nối nhiệt. Kết quả cho thấy nhiệt độ tối đa của lưỡi dao đã giảm 19 K và nhiệt độ trung bình đã giảm 34 K. Prapamonthon et al. đã nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ nhiễu loạn đến hiệu quả làm mát của lưỡi bọc hàng rào nhiệt. Kết quả cho thấy các lớp phủ rào cản nhiệt có thể làm tăng hiệu suất làm mát toàn diện của bề mặt lưỡi từ 16% đến 20% và 8% ở rìa của lưỡi dao. Zhu Jian et al. Đã thiết lập một mô hình trạng thái ổn định một chiều cho các lưỡi được tráng từ góc độ nhiệt động, và phân tích về mặt lý thuyết và tính toán hiệu ứng cách nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt. Shi Li et al. Thực hiện một nghiên cứu số trên C3X với lớp phủ rào cản nhiệt. Một lớp gốm 0,3 mm có thể làm giảm nhiệt độ bề mặt lưỡi xuống 72,6 K và tăng hiệu quả làm mát toàn diện thêm 6,5%. Lớp phủ rào chắn nhiệt không có tác dụng đối với sự phân bố hiệu quả làm mát của bề mặt lưỡi. Zhou Hongru et al. đã thực hiện một nghiên cứu số trên cạnh đầu của lưỡi tuabin với lớp phủ rào cản nhiệt. Kết quả cho thấy lớp phủ rào cản nhiệt không chỉ có thể làm giảm nhiệt độ vận hành của lưỡi kim loại và độ dốc nhiệt độ trong lưỡi, mà còn chống lại cú sốc nhiệt của các điểm nóng đầu vào ở một mức độ nhất định. Yang Xiaoguang et al. Tính toán phân bố trường nhiệt độ hai chiều và ứng suất của các van hướng dẫn với lớp phủ rào cản nhiệt bằng cách đưa ra các hệ số truyền nhiệt của các bề mặt bên trong và bên ngoài của lưỡi dao. Wang Liping et al. đã tiến hành phân tích khớp nối khí-nhiệt ba chiều trên các van hướng dẫn tuabin với các cấu trúc làm mát composite và nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày lớp phủ và bức xạ khí trên trường nhiệt độ lớp phủ. Liu Jianhua et al. đã phân tích hiệu ứng cách nhiệt của lớp phủ rào chắn nhiệt cho các lưỡi làm mát Mark II với lớp phủ rào cản nhiệt nhiều lớp bằng cách đặt bên trong hệ số truyền nhiệt và khớp nối khí ngoài khí bên ngoài.
Phương pháp tính toán
Mô hình tính toán
Lớp phủ rào chắn nhiệt nằm giữa khí nhiệt độ cao và bề mặt của chất nền hợp kim lưỡi, và bao gồm một lớp liên kết kim loại và lớp gốm cách nhiệt. Cấu trúc cơ bản của nó được thể hiện trong Hình 1. Khi xây dựng mô hình tính toán, lớp liên kết có độ dẫn nhiệt cao hơn trong cấu trúc lớp phủ của hàng rào nhiệt bị bỏ qua và chỉ có lớp gốm cách nhiệt nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp hơn được giữ lại.
Hình 2 cho thấy mô hình lưỡi sau khi được phủ bằng lớp phủ hàng rào nhiệt. Lưỡi dao chứa cấu trúc làm mát xoay đa kênh, với hai lỗ làm mát màng ống xả ở cạnh đầu, cấu trúc khe giữa trên cạnh kéo và cấu trúc rãnh hình H trên đỉnh lưỡi dao. Lớp phủ rào chắn nhiệt chỉ được phun trên thân lưỡi và bề mặt tấm cạnh dưới. Vì nhiệt độ dưới gốc lưỡi thấp và không phải là trọng tâm của nghiên cứu, để giảm số lượng lưới tính toán, phần bên dưới gốc bị bỏ qua khi đặt mô hình tính toán và mô hình miền tính toán được hiển thị trong Hình 3 được xây dựng.
Phương pháp tính toán số
Hình dạng bên trong của lưỡi làm mát tuabin tương đối phức tạp và rất khó sử dụng các lưới có cấu trúc. Việc sử dụng các lưới phi cấu trúc làm tăng đáng kể số lượng tính toán. Về vấn đề này, bài viết này sử dụng một bộ tạo lưới đa diện để kết nối miền lưỡi và khí. Phân chia lưới, mô hình lưới được hiển thị trong Hình 4.
Trong mô hình tính toán, độ dày của lớp phủ hàng rào nhiệt cực kỳ nhỏ, dưới 1/10 độ dày của bức tường lưỡi. Vì lý do này, bài viết này sử dụng một bộ tạo lưới mỏng để phân chia lớp phủ rào nhiệt thành ba lớp lưới hình lăng trụ đa giác. Số lượng các lớp lưới mỏng đã được xác minh là độc lập và số lượng các lớp lưới mỏng hầu như không ảnh hưởng đến trường nhiệt độ lưỡi.
Miền chất lỏng áp dụng mô hình hai lớp K-Epsilon có thể thực hiện được trong mô hình nhiễu loạn phương trình Navier-Stokes (RAN) của ReynoldSaveraged. Mô hình này cung cấp tính linh hoạt cao hơn cho việc xử lý lưới của toàn bộ bức tường Y+. Nó không chỉ có thể xử lý các mắt lưới mịn (tức là loại số Reynold thấp hoặc lưới Y+ thấp), mà còn xử lý các lưới trung gian (tức là 1 ＜ Y+ ＜ 30) theo cách chính xác nhất, có thể cân bằng hiệu quả sự ổn định, chi phí tính toán và chính xác.
Điều kiện biên
Đầu vào khí được đặt làm đầu vào đình trệ áp suất hoàn toàn, đầu vào không khí làm mát là một dòng chảy lớn và ổ cắm được đặt làm ổ cắm áp suất tĩnh. Bề mặt lớp phủ trong kênh khí được đặt làm bề mặt khớp nối chất lỏng-rắn, lớp phủ và bề mặt kim loại lưỡi được đặt làm giao diện rắn và hai cạnh của kênh được đặt làm thời gian quay. Cả khí lạnh và khí đều là khí lý tưởng, và khả năng nhiệt khí và độ dẫn nhiệt được đặt bằng công thức Sutherland. Các điều kiện biên tính toán tương ứng là: Tổng áp suất của đầu vào chính của kênh khí là 2,5 MPa, phân bố nhiệt độ đầu vào với độ dốc nhiệt độ xuyên tâm được hiển thị trong Hình 5, tốc độ đầu vào khí lạnh của kênh lạnh trong lưỡi dao là 45 g/s, tổng nhiệt độ là 54 {}} Vật liệu lưỡi là hợp kim nhiệt độ cao đơn dựa trên niken và độ dẫn nhiệt của vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Theo như các vật liệu hiện tại, các lớp phủ rào cản nhiệt thường sử dụng vật liệu yttria zirconium oxide (YSZ) ổn định hoặc oxit zirconium (ZRO2), có độ dẫn nhiệt thay đổi rất ít theo nhiệt độ, do đó độ dẫn nhiệt được đặt thành 1,03 W/(m · k) trong tính toán.
2 Phân tích kết quả tính toán
2.1 Nhiệt độ bề mặt lưỡi
Hình 6 và 7 cho thấy sự phân bố nhiệt độ bề mặt của lưỡi không may và sự phân bố nhiệt độ bề mặt kim loại của lưỡi ở độ dày lớp phủ khác nhau, tương ứng. Có thể thấy rằng khi độ dày lớp phủ tiếp tục tăng, nhiệt độ bề mặt kim loại của lưỡi giảm dần và định luật phân bố nhiệt độ của bề mặt kim loại của lưỡi ở độ dày khác nhau về cơ bản là như nhau, nhiệt độ ở giữa bề mặt áp suất thấp hơn và nhiệt độ ở đầu lưỡi cao hơn. Đầu lưỡi thường là phần khó nhất của toàn bộ lưỡi để nguội, và xương sườn rãnh ở đầu lưỡi rất khó được làm mát trực tiếp bởi không khí lạnh. Trong mô hình tính toán, lớp phủ chỉ bao phủ bề mặt của thân lưỡi và đầu lưỡi không được phủ bằng lớp phủ. Không có hiệu ứng rào cản đối với nhiệt từ phía khí của đầu lưỡi, vì vậy diện tích nhiệt độ cao ở đầu lưỡi luôn tồn tại.
Hình 8 cho thấy đường cong của nhiệt độ trung bình của bề mặt kim loại lưỡi thay đổi theo độ dày. Có thể thấy rằng nhiệt độ trung bình của bề mặt kim loại lưỡi giảm khi tăng độ dày lớp phủ. Điều này là do độ dẫn nhiệt của lớp phủ hàng rào nhiệt thấp, làm tăng điện trở nhiệt giữa khí nhiệt độ cao và lưỡi kim loại, làm giảm hiệu quả nhiệt độ của bề mặt kim loại lưỡi. Khi độ dày của lớp phủ là 0. 0 5 mm, nhiệt độ trung bình của cơ thể lưỡi giảm 21 độ, và sau đó độ dày của lớp phủ hàng rào nhiệt tăng lên, nhiệt độ của bề mặt lưỡi tiếp tục giảm; Khi độ dày lớp phủ là 0,20 mm, nhiệt độ trung bình của cơ thể lưỡi giảm 49 độ. Điều này về cơ bản phù hợp với hiệu ứng cách nhiệt nhiệt được đo bởi Zhang Zhiqiang et al. thông qua bài kiểm tra hiệu ứng lạnh.
Hình 9 là một đường cong cho thấy sự thay đổi nhiệt độ bề mặt của phần lưỡi dọc theo chiều dài hợp âm dọc trục. Như có thể thấy trong Hình 9, dưới độ dày khác nhau của lớp phủ rào cản nhiệt, xu hướng thay đổi nhiệt độ dọc theo chiều dài hợp âm trục về cơ bản là giống nhau và nhiệt độ của bề mặt hút cao hơn đáng kể so với nhiệt độ của bề mặt áp suất. Theo hướng của chiều dài hợp âm dọc trục, nhiệt độ của bề mặt áp suất và bề mặt hút trước tiên giảm và sau đó tăng, và có một sự dao động nhất định ở vùng cạnh đường mòn, gây ra bởi dạng cấu trúc của việc làm mát phun trượt ở giữa cạnh. Đồng thời, nhiệt độ của lưỡi dao được phủ bằng lớp phủ hàng rào nhiệt giảm đáng kể và nhiệt độ giảm trên bề mặt hút lớn hơn đáng kể so với bề mặt áp suất. Nhiệt độ giảm dần giảm từ cạnh dẫn đến cạnh kéo, và càng gần cạnh đầu của lưỡi dao, nhiệt độ giảm càng lớn.
Tính đồng nhất của nhiệt độ kim loại lưỡi ảnh hưởng đến mức độ ứng suất nhiệt của lưỡi, vì vậy bài viết này sử dụng chỉ số đồng nhất nhiệt độ để đo độ đồng nhất nhiệt độ của lưỡi rắn. Chỉ số đồng nhất nhiệt độ:
Trong đó: C là thể tích của mỗi đơn vị, T- là trung bình thể tích của nhiệt độ t, TC là giá trị nhiệt độ trong đơn vị lưới và VC là khối lượng của đơn vị lưới. Nếu trường nhiệt độ thể tích được phân phối đồng đều, chỉ số đồng nhất thể tích là 1. Như có thể thấy trong Hình 1 0, sau khi phun lớp phủ rào chắn nhiệt, độ đồng đều của lưỡi của lưỡi được cải thiện đáng kể. Khi độ dày của lớp phủ là 0. 2 mm, chỉ số đồng nhất nhiệt độ của lưỡi dao được tăng 0,4%.
2.2 Nhiệt độ bề mặt lớp phủ
Sự thay đổi nhiệt độ của bề mặt lớp phủ được thể hiện trong Hình 11. Như có thể thấy trong Hình 11, khi độ dày của lớp phủ tăng, nhiệt độ bề mặt của lớp phủ hàng rào nhiệt tiếp tục tăng, hoàn toàn ngược lại với xu hướng thay đổi nhiệt độ trung bình của bề mặt lưỡi. Khi điện trở nhiệt tăng theo hướng độ dày lớp phủ, chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt lớp phủ và bề mặt lưỡi tăng dần và nhiệt tích lũy trên bề mặt khó khuếch tán vào lưỡi kim loại. Khi độ dày của lớp phủ là 0. 20 mm, chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài lớp phủ đạt 86 độ.
2.3 Nhiệt độ mặt cắt ngang lưỡi
Hình 12 cho thấy sự phân bố nhiệt độ của các cạnh hàng đầu và đường mòn của lưỡi có và không có lớp phủ rào cản nhiệt. Sau khi bề mặt được phủ lớp phủ rào cản nhiệt, nhiệt độ cắt ngang của lưỡi cắt giảm đáng kể và độ dốc nhiệt độ được giảm bớt. Điều này là do sau khi lớp phủ hàng rào nhiệt được áp dụng, mật độ thông lượng nhiệt trong lớp phủ bị giảm. Đồng thời, vì vật liệu phủ hàng rào nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp, nhiệt độ thay đổi bên trong chất rắn phủ rào chắn nhiệt rất mạnh.
Liên hệ với chúng tôi
Cảm ơn bạn đã quan tâm đến công ty của chúng tôi! Là một công ty sản xuất phụ tùng khí tua-bin chuyên nghiệp, chúng tôi sẽ tiếp tục cam kết cải tiến dịch vụ và đổi mới công nghệ, để cung cấp nhiều giải pháp chất lượng cao hơn cho khách hàng trên toàn thế giới. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi, đề xuất hoặc ý định hợp tác nào, chúng tôi rất vui khi giúp bạn. Vui lòng liên hệ với chúng tôi theo những cách sau:
Whatsapp: +86 135 4409 5201
E-mail:peter@turbineblade.net
