特定のタイプのガスタービンのタービンブレードの冷却効果に対する熱バリアコーティングの影響メカニズムに関する研究
タービンブレード上の熱バリアコーティングの熱断熱効果と温度分布則を得るために、内部冷却構造を備えた特定のタイプのガスタービン高圧タービンタービン移動ブレードを基本モデルとして使用しました。熱バリアコーティング保護の有無にかかわらず、高圧タービン移動ブレードの冷却効果は、ガス加熱カップリング法によって数値的に計算され、刃の熱伝達に対する熱バリアコーティングの影響は、熱バリアコーティングの厚さを変えることによって研究されました。この研究では、熱バリアコーティングでコーティングした後、刃の温度が大幅に低下し、前縁に近いほど、温度低下が大きく、圧力側の温度低下が吸引側の温度よりも大きくなることがわかりました。 0。05-0の厚さの熱バリアコーティングは、21-49程度によってブレード金属表面の平均温度を下げることができます。コーティングの厚さが増加すると、ブレード金属内の温度分布がより均一になります。
ガスタービンの開発では、エンジンの電力と熱効率を改善するために、タービンの入口温度も上昇しています。タービンブレードは、高温ガスの衝撃にさらされます。タービンの入口温度が上昇し続けると、空冷だけでも要件を満たすことができなくなります。材料の高温抵抗と耐食性を改善するための効果的な手段としての熱バリアコーティングがますます使用されています。
通常、熱バリアコーティングは、プラズマ炎の噴霧または電子ビーム堆積により、刃表面に付着します。それらは、高い融点と熱衝撃に対する耐性の特性を持っています。これにより、タービンブレードが酸化と熱腐食に抵抗し、刃の温度を下げ、刃のサービス寿命を延ばす能力が向上します。 Alizadeh et al。 {{{{0}}}の熱断熱効果を研究しました。ガス加熱カップリング数値シミュレーションにより、2 mmの熱バリアコーティング。結果は、ブレードの最大温度が19 k増加し、平均温度が34 K. Prapamonthon et al。熱バリアコーティングブレードの冷却効率に対する乱流強度の効果を研究しました。結果は、熱バリアコーティングがブレード表面の包括的な冷却効率を、ブレードの後縁で16％から20％、8％増加させることができることを示しました。 Zhu Jian et al。熱力学的観点からコーティングされたブレードの1次元の定常状態モデルを確立し、理論的には熱バリアコーティングの熱絶縁効果を分析および計算しました。 Shi Li et al。サーマルバリアコーティングを備えたC3Xの数値研究を実施しました。 0.3 mmのセラミック層は、刃の表面温度を72.6 Kに下げ、包括的な冷却効率を6.5％増加させることができます。熱バリアコーティングは、刃表面の冷却効率の分布に影響を与えません。 Zhou Hongru et al。熱バリアコーティングを備えたタービンブレードの最先端に関する数値研究を実施しました。結果は、熱バリアコーティングが金属ブレードの動作温度と刃の温度勾配を低下させるだけでなく、インレットホットスポットの熱ショックにある程度抵抗できることを示しました。 Yang Xiaoguang et al。ブレードの内側と外側の表面の熱伝達係数を与えることにより、2次元温度フィールド分布とガイドベーンのストレスをサーマルバリアコーティングで計算しました。 Wang Liping et al。複合冷却構造を備えたタービンガイドベーンで3次元ガス熱カップリング分析を実施し、コーティング温度場に対するコーティングの厚さとガス放射の効果を研究しました。 Liu Jianhua et al。熱伝達係数と外部ガス熱カップリングを内部的に設定することにより、マークII冷却ブレードを使用したマークII冷却ブレードの熱バリアコーティングの熱断熱効果を分析しました。
計算方法
計算モデル
熱バリアコーティングは、高温ガスとブレード合金基板の表面の間にあり、金属結合層と熱絶縁セラミック層で構成されています。その基本構造を図1に示します。計算モデルを構築する場合、熱バリアコーティング構造の熱伝導率が高い結合層は無視され、熱伝導率が低い熱絶縁セラミック層のみが保持されます。
図2は、熱バリアコーティングでコーティングされた後のブレードモデルを示しています。ブレードには、リーディングエッジに2つの排気フィルム冷却穴、後縁に中央のスリット構造、ブレード上部にH字型の溝構造があり、マルチチャネル回転式の冷却構造が含まれています。熱バリアコーティングは、刃の本体と下端プレートの表面にのみ噴霧されます。ブレードルートの下の温度は低く、研究の焦点ではないため、計算グリッドの数を減らすためには、計算モデルを設定するとルートの下の部分が無視され、図3に示す計算ドメインモデルが構築されます。
数値計算方法
タービン冷却ブレードの内部ジオメトリは比較的複雑であり、構造化されたグリッドを使用することは困難です。非構造化グリッドを使用すると、計算量が大幅に増加します。この点で、このペーパーでは、多面的なグリッドジェネレーターを使用して、ブレードとガスドメインをメッシュします。メッシュ分割、メッシュモデルを図4に示します。
計算モデルでは、熱バリアコーティングの厚さは非常に小さく、刃壁の厚さの1/10未満です。このため、このホワイトペーパーでは、薄いメッシュジェネレーターを使用して、熱バリアコーティングを3層の多角形のプリズムメッシュに分割します。薄いメッシュ層の数は独立していることが確認されており、薄いメッシュ層の数はブレード温度場にほとんど影響しません。
流体ドメインは、Reynoldsaveraged Navier-Stokes方程式（RANS）乱流モデルに実現可能なK-Epsilon 2層モデルを採用します。このモデルは、Y+ウォール全体のメッシュ処理に対してより大きな柔軟性を提供します。細かいメッシュ（つまり、レイノルド数のタイプまたは低Y+メッシュ）をうまく処理できるだけでなく、中間メッシュ（すなわち、つまり、1＜Y+ ＜30）を最も正確な方法で処理できます。
境界条件
ガス入口は、総圧力停滞インレットとして設定され、冷却空気入口は質量流量であり、出口は静的圧力出口として設定されます。ガスチャネルのコーティング表面は、流体結合カップリング表面として設定され、コーティングとブレードの金属表面は固体界面として設定され、チャネルの両側は回転期間として設定されています。冷たいガスとガスの両方が理想的なガスであり、ガス熱容量と熱伝導率は、サザーランド式を使用して設定されています。対応する計算境界条件は次のとおりです。ガスチャネルの主流入り口の総圧力は2.5 MPa、半径方向の温度勾配の入口温度分布は図5に示されています。ブレードのコールドガス入口流量は45 g/sです。ブレード材料は、ニッケルベースの単結晶高温合金であり、材料の熱伝導率は温度とともに変化します。既存の材料に関する限り、熱バリアコーティングは一般に、安定したイットトリア酸化ジルコニウム（YSZ）材料または酸化ジルコニウム（ZRO2）を使用します。そのため、熱伝導率は温度ではほとんど変化しません。
2計算結果の分析
2.1ブレード表面温度
図6と7は、異なるコーティングの厚さでそれぞれ異なるコーティングの厚さでのブレードの金属表面温度分布と、それぞれ異なるコーティングの厚さでの金属表面温度分布を示しています。コーティングの厚さが増加し続けると、刃の金属表面温度が徐々に低下し、異なる厚さの刃の金属表面の温度分布則が基本的に同じであり、圧力表面の中央の温度が低く、刃の先端の温度が高くなります。ブレードチップは通常、ブレード全体の最も困難な部分であり、ブレードチップの溝のrib骨を冷たい空気で直接冷却することは困難です。計算モデルでは、コーティングはブレードボディの表面のみを覆い、ブレードの先端はコーティングで覆われていません。ブレード先端のガス側からの熱に障壁の影響はないため、刃の先端の高温領域は常に存在します。
図8は、厚さで変化するブレード金属表面の平均温度の曲線を示しています。刃の金属表面の平均温度は、コーティングの厚さの増加とともに低下することがわかります。これは、熱バリアコーティングの熱伝導率が低く、高温ガスと金属刃の間の熱抵抗が増加し、刃の金属表面の温度が効果的に低下するためです。コーティングの厚さが0。0 5 mmの場合、刃の体の平均温度が21度低下し、その後、熱バリアコーティングの厚さが増加すると、刃表面の温度が低下し続けます。コーティングの厚さが0.20 mmの場合、ブレードボディの平均温度は49度減少します。これは基本的に、Zhang Zhiqiang et alによって測定された熱断熱効果と一致しています。コールドエフェクトテストを通じて。
図9は、軸方向のコード長に沿ったブレードセクションの表面温度の変化を示す曲線です。図9からわかるように、熱バリアコーティングの異なる厚さの下では、軸方向のコードの長さに沿った温度変化傾向は基本的に同じであり、吸引面の温度は圧力表面の温度よりも大幅に高くなります。軸方向のコードの長さの方向では、圧力表面と吸引面の温度が最初に減少してから増加し、トレーリングエッジ領域に特定の変動があります。同時に、熱バリアコーティングでコーティングされたブレードの温度は大幅に低下し、吸引面の温度低下は圧力表面の温度よりも大幅に大きくなります。温度低下は、リーディングエッジからトレイリングエッジまで徐々に減少し、ブレードのリーディングエッジに近いほど、温度低下が大きくなります。
刃の金属温度の均一性は、刃の熱応力レベルに影響を与えるため、この論文では温度均一性指数を使用して、固体刃の温度均一性を測定します。温度均一性指数：
ここで、Cは各ユニットの体積、T-は温度Tの体積、TCはグリッドユニットの温度値、VCはグリッドユニットの体積です。体積温度フィールドが均一に分布している場合、体積均一性指数は1です。図1 0からわかるように、サーマルバリアコーティングを噴霧した後、ブレードの温度均一性が大幅に改善されます。コーティングの厚さが0。2mmの場合、ブレードの温度均一性指数は0.4％増加します。
2.2コーティング表面温度
コーティング表面の温度変化を図11に示します。図11からわかるように、コーティングの厚さが増加すると、熱バリアコーティングの表面温度が増加し続けます。これは、刃表面の平均温度変化傾向の正反対です。コーティングの厚さ方向が熱抵抗が増加すると、コーティング表面と刃の表面の温度差が徐々に増加し、表面に蓄積された熱が金属刃に拡散するのがより困難です。コーティングの厚さが0。20 mmの場合、コーティングの内側と外側の温度差は86程度に達します。
2.3ブレード断面温度
図12は、サーマルバリアコーティングの有無にかかわらず、ブレードの先頭および後続のエッジの温度分布を示しています。表面が熱バリアコーティングでコーティングされた後、ブレードの断面温度が大幅に低下し、温度勾配が緩和されます。これは、熱バリアコーティングが適用された後、コーティングの熱流束密度が低下するためです。同時に、熱バリアコーティング材料の熱伝導率は低いため、熱バリアコーティング固体内の温度変化は非常に劇的です。
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