ศึกษากลไกอิทธิพลของการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนต่อผลการระบายความร้อนของใบมีดกังหันของกังหันก๊าซบางประเภท

ศึกษากลไกอิทธิพลของการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนต่อผลการระบายความร้อนของใบมีดกังหันของกังหันก๊าซบางประเภท

เพื่อให้ได้รับผลกระทบจากฉนวนกันความร้อนและกฎการกระจายอุณหภูมิของการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนบนใบมีดกังหันจึงใช้ใบมีดการเคลื่อนที่ของกังหันแรงดันสูงกังหันก๊าซที่มีโครงสร้างการระบายความร้อนภายในเป็นแบบจำลองพื้นฐาน ผลการระบายความร้อนของใบมีดที่เคลื่อนที่ของกังหันแรงดันสูงที่มีหรือไม่มีการป้องกันการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนถูกคำนวณเชิงตัวเลขโดยวิธีการเชื่อมต่อความร้อนด้วยก๊าซและอิทธิพลของการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนต่อการถ่ายเทความร้อนของใบมีดได้รับการศึกษาโดยการเปลี่ยนความหนาของการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อน การศึกษาพบว่าหลังจากการเคลือบด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนอุณหภูมิของใบมีดลดลงอย่างมีนัยสำคัญยิ่งใกล้กับขอบนำมากขึ้นอุณหภูมิที่ลดลงและอุณหภูมิลดลงบนด้านแรงดันมากกว่าด้านการดูด การเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนที่มีความหนาของ 0. 05-0. 2 มม. สามารถลดอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวโลหะใบมีดได้โดย 21-49 องศา; เมื่อความหนาของการเคลือบเพิ่มขึ้นการกระจายอุณหภูมิภายในโลหะใบมีดจะมีความสม่ำเสมอมากขึ้น

ในการพัฒนากังหันก๊าซเพื่อปรับปรุงพลังงานและประสิทธิภาพความร้อนของเครื่องยนต์อุณหภูมิทางเข้าของกังหันก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ใบมีดกังหันจะได้รับผลกระทบของก๊าซอุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิทางเข้าของกังหันยังคงเพิ่มขึ้นการระบายความร้อนของอากาศเพียงอย่างเดียวไม่สามารถตอบสนองความต้องการได้อีกต่อไป การเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงความต้านทานอุณหภูมิสูงและความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุได้ถูกนำมาใช้มากขึ้นเรื่อย ๆ

การเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนโดยทั่วไปจะยึดติดกับพื้นผิวใบมีดโดยการฉีดพลาสม่าเปลวไฟหรือการทับถมของลำแสงอิเล็กตรอน พวกเขามีลักษณะของจุดหลอมเหลวสูงและความต้านทานต่อการกระแทกด้วยความร้อนซึ่งสามารถปรับปรุงความสามารถของใบพัดกังหันในการต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนความร้อนลดอุณหภูมิของใบมีดและยืดอายุการใช้งานของใบมีด Alizadeh et al. ศึกษาเอฟเฟกต์ฉนวนกันความร้อนของ {{0}}. 2 มม. การเคลือบสิ่งกีดขวางความร้อนโดยการจำลองเชิงตัวเลข ผลการศึกษาพบว่าอุณหภูมิสูงสุดของใบมีดลดลง 19 K และอุณหภูมิเฉลี่ยลดลง 34 K. Prapamonthon และคณะ ศึกษาผลของความเข้มของความปั่นป่วนต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนของใบมีดเคลือบป้องกันความร้อน ผลการศึกษาพบว่าการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ครอบคลุมของพื้นผิวใบมีดได้ 16% ถึง 20% และ 8% ที่ขอบต่อท้ายของใบมีด Zhu Jian et al. จัดตั้งแบบจำลองสถานะคงที่หนึ่งมิติสำหรับใบมีดเคลือบจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์และการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและคำนวณผลกระทบของฉนวนกันความร้อนของการเคลือบสิ่งกีดขวางทางความร้อน Shi Li et al. ดำเนินการศึกษาเชิงตัวเลขเกี่ยวกับ C3X ด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อน ชั้นเซรามิก 0.3 มม. สามารถลดอุณหภูมิพื้นผิวใบมีดได้ 72.6 K และเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ครอบคลุม 6.5% การเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนไม่มีผลต่อการกระจายตัวของประสิทธิภาพการระบายความร้อนของพื้นผิวใบมีด Zhou Hongru และคณะ ทำการศึกษาเชิงตัวเลขเกี่ยวกับขอบชั้นนำของใบมีดกังหันด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อน ผลการศึกษาพบว่าการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนไม่เพียง แต่สามารถลดอุณหภูมิการทำงานของใบมีดโลหะและการไล่ระดับอุณหภูมิภายในใบมีด แต่ยังต้านทานการกระแทกด้วยความร้อนของจุดร้อนในทางเข้าในระดับหนึ่ง Yang Xiaoguang และคณะ คำนวณการกระจายสนามอุณหภูมิสองมิติและความเครียดของใบพัดคู่มือด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนโดยให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของพื้นผิวด้านในและด้านนอกของใบมีด Wang Liping และคณะ ดำเนินการวิเคราะห์การมีเพศสัมพันธ์แบบก๊าซความร้อนสามมิติบนใบพัดคู่มือกังหันพร้อมโครงสร้างการระบายความร้อนแบบคอมโพสิตและศึกษาผลของความหนาของการเคลือบและรังสีก๊าซที่มีต่อสนามอุณหภูมิการเคลือบ Liu Jianhua และคณะ วิเคราะห์ผลกระทบของฉนวนกันความร้อนของการเคลือบสิ่งกีดขวางความร้อนสำหรับใบมีดระบายความร้อนของ Mark II ด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนหลายชั้นโดยการตั้งค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนภายในและการมีเพศสัมพันธ์กับก๊าซ-ความร้อนจากภายนอก

วิธีการคำนวณ

รูปแบบการคำนวณ

การเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนตั้งอยู่ระหว่างก๊าซอุณหภูมิสูงและพื้นผิวของสารตั้งต้นใบมีดของโลหะผสมและประกอบด้วยชั้นพันธะโลหะและชั้นเซรามิกฉนวนกันความร้อน โครงสร้างพื้นฐานของมันแสดงในรูปที่ 1 เมื่อสร้างแบบจำลองการคำนวณชั้นพันธะที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าในโครงสร้างการเคลือบความร้อนจะถูกละเว้นและเฉพาะชั้นเซรามิกฉนวนกันความร้อนที่มีการนำความร้อนต่ำ

รูปที่ 2 แสดงโมเดลใบมีดหลังจากเคลือบด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อน ใบมีดมีโครงสร้างการระบายความร้อนแบบโรตารี่แบบหลายช่องทางพร้อมรูระบายความร้อนด้วยฟิล์มไอเสียสองรูที่ขอบนำโครงสร้างร่องกลางบนขอบต่อท้ายและโครงสร้างร่องรูปตัว H บนด้านบนของใบมีด การเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนจะพ่นบนตัวใบมีดและพื้นผิวแผ่นขอบล่าง เนื่องจากอุณหภูมิต่ำกว่ารากใบมีดต่ำและไม่ได้เป็นจุดสนใจของการวิจัยเพื่อลดจำนวนกริดการคำนวณส่วนที่อยู่ด้านล่างรูทจะถูกละเว้นเมื่อตั้งค่าแบบจำลองการคำนวณและโมเดลโดเมนการคำนวณที่แสดงในรูปที่ 3 ถูกสร้างขึ้น

วิธีการคำนวณเชิงตัวเลข

รูปทรงเรขาคณิตภายในของใบมีดเย็นของกังหันค่อนข้างซับซ้อนและยากที่จะใช้กริดที่มีโครงสร้าง การใช้กริดที่ไม่มีโครงสร้างเพิ่มจำนวนการคำนวณอย่างมีนัยสำคัญ ในเรื่องนี้บทความนี้ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากริดโพลีเฮดรัลเพื่อตาข่ายใบมีดและโดเมนก๊าซ การแบ่งตาข่ายโมเดลตาข่ายแสดงในรูปที่ 4

ในแบบจำลองการคำนวณความหนาของการเคลือบความร้อนมีขนาดเล็กมากน้อยกว่า 1/10 ของความหนาของผนังใบมีด ด้วยเหตุนี้บทความนี้ใช้เครื่องกำเนิดตาข่ายบาง ๆ เพื่อแบ่งการเคลือบสิ่งกีดขวางความร้อนออกเป็นสามชั้นของตาข่ายปริซึมรูปหลายเหลี่ยม จำนวนเลเยอร์ตาข่ายบางได้รับการตรวจสอบว่าเป็นอิสระและจำนวนเลเยอร์ตาข่ายบาง ๆ แทบจะไม่มีผลต่อสนามอุณหภูมิของใบมีด

โดเมนของเหลวนั้นใช้โมเดลสองชั้น K-Epsilon ที่เป็นจริงในรูปแบบความปั่นป่วนของ Reynoldsaveraged Navier-Stokes (RANS) รุ่นนี้ให้ความยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับการประมวลผลตาข่ายของผนัง Y+ ทั้งหมด ไม่เพียง แต่สามารถจัดการกับตาข่ายละเอียด (เช่นประเภทหมายเลขเรย์โนลด์ต่ำหรือตาข่าย Y+ ต่ำ) แต่ยังจัดการตาข่ายระดับกลาง (เช่น 1 ＜y+ ＜30) ในวิธีที่แม่นยำที่สุดซึ่งสามารถปรับสมดุลความเสถียรได้อย่างมีประสิทธิภาพต้นทุนการคำนวณ

เงื่อนไขขอบเขต

ทางเข้าก๊าซถูกตั้งค่าเป็นทางเข้าแรงดันซบเซาทั้งหมดทางเข้าอากาศระบายความร้อนเป็นทางเข้าของมวลไหลและทางออกถูกตั้งเป็นเต้าเสียบแรงดันคงที่ พื้นผิวการเคลือบในช่องก๊าซถูกตั้งค่าเป็นพื้นผิวการเชื่อมต่อของเหลวของเหลวการเคลือบและพื้นผิวโลหะใบมีดถูกตั้งค่าเป็นอินเทอร์เฟซที่เป็นของแข็งและทั้งสองด้านของช่องถูกตั้งเป็นระยะเวลาการหมุน ทั้งก๊าซเย็นและก๊าซเป็นก๊าซในอุดมคติและความจุความร้อนของก๊าซและการนำความร้อนถูกตั้งค่าโดยใช้สูตร Sutherland เงื่อนไขขอบเขตการคำนวณที่สอดคล้องกันคือ: ความดันรวมของทางเข้ากระแสหลักของช่องก๊าซคือ 2.5 mPa การกระจายอุณหภูมิทางเข้ากับการไล่ระดับอุณหภูมิรัศมีแสดงในรูปที่ 5 อัตราการไหลของก๊าซเย็นของช่องเย็นในใบมีดคือ 45 กรัม/วินาที วัสดุใบมีดเป็นโลหะผสมอุณหภูมิสูงคริสตัลเดี่ยวและค่าการนำความร้อนของการเปลี่ยนแปลงของวัสดุที่มีอุณหภูมิ เท่าที่วัสดุที่มีอยู่มีความกังวลการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนมักใช้วัสดุ YTTRIA zirconium oxide (YSZ) ที่มีเสถียรภาพหรือเซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZRO2) ซึ่งมีค่าการนำความร้อนเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิดังนั้นค่าการนำความร้อนจึงถูกกำหนดไว้ที่ 1.03 W/(M · K) ในการคำนวณ

2 การวิเคราะห์ผลการคำนวณ

2.1 อุณหภูมิพื้นผิวใบมีด

รูปที่ 6 และ 7 แสดงการกระจายอุณหภูมิพื้นผิวของใบมีดที่ไม่เคลือบผิวและการกระจายอุณหภูมิพื้นผิวโลหะของใบมีดที่ความหนาของการเคลือบที่แตกต่างกันตามลำดับ จะเห็นได้ว่าเมื่อความหนาของการเคลือบเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องอุณหภูมิพื้นผิวโลหะของใบมีดจะค่อยๆลดลงและกฎการกระจายอุณหภูมิของพื้นผิวโลหะของใบมีดที่ความหนาต่างกันนั้นเหมือนกันอุณหภูมิที่อยู่ตรงกลางของพื้นผิวแรงดันต่ำกว่า ปลายใบมีดมักจะเป็นส่วนที่ยากที่สุดของใบมีดทั้งหมดให้เย็นลงและซี่โครงร่องที่ปลายใบมีดนั้นยากที่จะเย็นลงด้วยอากาศเย็นโดยตรง ในแบบจำลองการคำนวณการเคลือบจะครอบคลุมพื้นผิวของตัวใบมีดเท่านั้นและปลายใบมีดไม่ได้ปกคลุมด้วยการเคลือบ ไม่มีผลกระทบสิ่งกีดขวางต่อความร้อนจากด้านแก๊สของปลายใบมีดดังนั้นพื้นที่อุณหภูมิสูงที่ปลายใบมีดจะมีอยู่เสมอ

รูปที่ 8 แสดงเส้นโค้งของอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวโลหะใบมีดที่เปลี่ยนแปลงด้วยความหนา จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวโลหะใบมีดลดลงเมื่อเพิ่มความหนาของการเคลือบ นี่เป็นเพราะค่าการนำความร้อนของการเคลือบสิ่งกีดขวางความร้อนต่ำซึ่งจะเพิ่มความต้านทานความร้อนระหว่างก๊าซอุณหภูมิสูงและใบมีดโลหะช่วยลดอุณหภูมิของพื้นผิวโลหะใบมีดได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อความหนาของการเคลือบคือ 0. 0 5 มม. อุณหภูมิเฉลี่ยของร่างกายใบมีดจะลดลง 21 องศาและจากนั้นเมื่อความหนาของการเคลือบความร้อนเพิ่มขึ้นอุณหภูมิของพื้นผิวใบมีดยังคงลดลง เมื่อความหนาของการเคลือบคือ 0.20 มม. อุณหภูมิเฉลี่ยของตัวใบมีดจะลดลง 49 องศา นี่คือความสอดคล้องกับผลกระทบของฉนวนกันความร้อนที่วัดโดยจางจีคีแอนและคณะ ผ่านการทดสอบเอฟเฟกต์เย็น

รูปที่ 9 เป็นเส้นโค้งที่แสดงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิพื้นผิวของส่วนใบมีดตามแนวความยาวคอร์ดตามแนวแกน ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 9 ภายใต้ความหนาที่แตกต่างกันของการเคลือบสิ่งกีดขวางทางความร้อนแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิตามความยาวคอร์ดตามแนวแกนนั้นเหมือนกันและอุณหภูมิของพื้นผิวดูดสูงกว่าอุณหภูมิของพื้นผิวความดันอย่างมีนัยสำคัญ ในทิศทางของความยาวคอร์ดตามแนวแกนอุณหภูมิของพื้นผิวความดันและพื้นผิวการดูดลดลงก่อนและเพิ่มขึ้นและมีความผันผวนบางอย่างในพื้นที่ขอบต่อท้ายซึ่งเกิดจากรูปแบบโครงสร้างของการระบายความร้อนสเปรย์สเปรย์แบบแยกส่วนตรงกลางของขอบต่อท้าย ในเวลาเดียวกันอุณหภูมิของใบมีดที่เคลือบด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนลดลงอย่างมีนัยสำคัญและอุณหภูมิลดลงบนพื้นผิวดูดมากกว่าอย่างมีนัยสำคัญบนพื้นผิวความดัน อุณหภูมิลดลงค่อยๆลดลงจากขอบนำไปยังขอบต่อท้ายและยิ่งใกล้กับขอบนำของใบมีดยิ่งอุณหภูมิลดลงมากขึ้นเท่านั้น

ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิโลหะใบมีดมีผลต่อระดับความเครียดความร้อนของใบมีดดังนั้นกระดาษนี้ใช้ดัชนีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเพื่อวัดความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของใบมีดของแข็ง ดัชนีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ:

โดยที่: C คือปริมาตรของแต่ละหน่วย T- คือปริมาตรเฉลี่ยของอุณหภูมิ T, TC คือค่าอุณหภูมิในหน่วยกริดและ VC คือปริมาตรของหน่วยกริด หากฟิลด์อุณหภูมิปริมาตรมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอดัชนีความสม่ำเสมอของปริมาตรคือ 1. ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 1 0 หลังจากฉีดพ่นการเคลือบสิ่งกีดขวางความร้อนความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของใบมีดจะดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อความหนาของการเคลือบคือ 0. 2 มม. ดัชนีความสม่ำเสมอของอุณหภูมิของใบมีดเพิ่มขึ้น 0.4%

2.2 อุณหภูมิพื้นผิวเคลือบ

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของพื้นผิวการเคลือบแสดงในรูปที่ 11 ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 11 เมื่อความหนาของการเคลือบเพิ่มขึ้นอุณหภูมิพื้นผิวของการเคลือบความร้อนยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งตรงกันข้ามกับแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉลี่ยของพื้นผิวใบมีด เมื่อความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้นในทิศทางความหนาของการเคลือบความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวการเคลือบและพื้นผิวใบมีดจะค่อยๆเพิ่มขึ้นและความร้อนที่สะสมบนพื้นผิวนั้นยากที่จะกระจายไปยังใบมีดโลหะ เมื่อความหนาของการเคลือบคือ 0. 20 มม. ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกของการเคลือบถึง 86 องศา

2.3 อุณหภูมิตัดขวางใบมีด

รูปที่ 12 แสดงการกระจายอุณหภูมิของขอบนำและต่อท้ายของใบมีดที่มีและไม่มีการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อน หลังจากพื้นผิวถูกเคลือบด้วยการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนอุณหภูมิตัดขวางของใบมีดจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญและการไล่ระดับอุณหภูมิจะบรรเทาลง นี่เป็นเพราะหลังจากการเคลือบสิ่งกีดขวางความร้อนถูกนำไปใช้ความหนาแน่นฟลักซ์ความร้อนในการเคลือบจะลดลง ในเวลาเดียวกันเนื่องจากวัสดุการเคลือบสิ่งกีดขวางด้วยความร้อนมีค่าการนำความร้อนต่ำอุณหภูมิจะเปลี่ยนไปในที่ของแข็งการเคลือบด้วยความร้อนจะรุนแรงมาก

ติดต่อเรา

ขอบคุณสำหรับความสนใจใน บริษัท ของเรา! ในฐานะ บริษัท ผลิตชิ้นส่วนกังหันก๊าซมืออาชีพเราจะยังคงมุ่งมั่นที่จะสร้างนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการปรับปรุงบริการเพื่อจัดหาโซลูชั่นคุณภาพสูงสำหรับลูกค้าทั่วโลกหากคุณมีคำถามข้อเสนอแนะหรือความตั้งใจความร่วมมือเรามีความสุขมากกว่าที่จะช่วยเหลือคุณ กรุณาติดต่อเราด้วยวิธีต่อไปนี้:

whatsapp: +86 135 4409 5201

E-mail:peter@turbineblade.net