Seria: M E C H A N IK A z. 115 N r kol. 1230
Zdzisław LISEW SK I
Instytut L otnictw a w W arszaw ie
A N A L IZ A O B L IC Z E N IO W A S K U T E C Z N O Ś C I IZ O L A C JI C IE P L N E J P O W Ł O K I C E R A M IC Z N E J U Ż Y T E J N A Ł O P A T C E T U R B IN Y G A Z O W E J
Streszczenie. N a przykładzie ło p atk i badaw czej kierownicy turbiny pokazano du że możliwości obniżenia tem p eratu ry ścianki m etalu przy zastosow aniu pow łoki ceram icznej o raz p odkreślono wysoką efektywność chłodzenia. A nalizę p rzep ro w ad zo n o korzystając z opracow ania N A SA T P [2],
C O M P U T A T IO N A L A NA LY SIS O F T H E R M A L ISO L A T IO N E F F E C T IV E N E S S O F T H E C E R A M IC C O A T IN G A P P L IE D O N A G AS T U R B IN E V A N E
Sum m ary. O n th e exam ple o f experim ental gas tu rb in e vane, great possibilities o f wall te m p eratu res decreasing, by aplication an isolating ceram ic coating, w ere show ed and a high efectivcnes o f cooling was underlined, as well.
T h e conducted analysis was based on th e p a p e r o f N A SA T P [2].
PACTETHHil AHAJ1H3 3MEKTHBH0CTH TEPMHHECKOii H30JIHL1HH KEPAMHHECKOrO nOKPHTHH JIOriATKH fA 3 0 B 0 iI TyPBHHH
P e 3 i o M e. Ha n p i m e p e n o n a T K H S K c n e p H M e H T a n b H o r o c o n n o B o r o a n n a p a r a T y p b t i H u n o K a 3 a H U 6 o n b i i i n e b o 3 M o * h o c t h c h h s c s h h h T e M n e p a T y p n w e r a n n a cTeHKH n p a n cn o n b 3 0 B aH H H K e p aM H u ec K o ro noK paTH fi a Tatcsce n o te s s e n s B u c o x a a B^iijjeKTHBHOCTb o x n a s c n e H M H. B a H a n n 3 e H c n o n b 3 0 B a H 0 o r u e r N A S A T P [ 2 ] .
1. W P R O W A D Z E N IE
C h ło d zo n e łopatki turbin znalazły praw ie pow szechne zastosow anie we w spółczesnych silnikach lotniczych. W ysokie tem p eratu ry gazów spalinowych przed turbiną, rzęd u 1500 - 1700 K, um ożliw iają optym alizację obiegu cieplnego przy wyższych sp rężach i uzyskanie zw artej, o mniejszych w ym iarach konstrukcji silnika, odznaczającej się obniżonym zużyciem paliwa. W y s o k i e t e m p e r a t u r y g a z ó w zasilających tu rb in ę przekraczają poziom dopuszczalnej te m p e ra tu ry ze w zględu na w ytrzym ałość m ateriałów używanych na łopatki. C hłodzenie ło p a te k jest więc
niezbędne. D o chłodzenia wykorzystywane jest pow ietrze, b ran e z upustu sprężarki silnika. U p u st pow ietrza wpływa niekorzystnie na osiągi silnika. Podstaw ow ym zatem zad an iem p rac badaw czo - rozwojowych je st dążenie do dosk o n alen ia technologii pro cesu chłodzenia, by przez p o praw ę efektywności m eto d chłodzenia zmniejszyć straty osiągów silnika spow odow ane upustem pow ietrza.
2. A N A L IZ A O B L IC Z E N IO W A W Y M IA N Y C IE P Ł A W K IE R O W N IC Y Z P O W Ł O K Ą C E R A M IC Z N Ą
W ło p a tk a c h chłodzonych stosuje się zwykle kom binację różnych m eto d chłodzenia.
W skład tej kom binacji w chodzą: konw ekcja w ymuszona, natryskiw anie pow ierzchni chłodzonej z tow arzyszącym przepływ em krzyżowym, konw ekcja z przepływ em w okół tu rb u lizato ró w o raz chłodzenie błonow e. T e m etody chłodzenia są n ieraz u zupełniane pow łokam i ceram icznym i o bard zo m ałej przew odności cieplnej i stanow iących bariery term iczne dla strum ieni ciepła.
W ym ienione m etody chłodzenia zostały uw zględnione w je d n e j z p rac N A SA [2].
P ro g ram T A C T 1 z tej pracy dotyczy analizy stanu term icznego ło p a te k chłodzonych za po m o cą w kładu perforow anego. Ł o p atk a wzdłuż wysokości po d zielo n a je st na plastry o określonej grubości. P laster je st jed n o stk ą obliczeniow ą pro g ram u . N a rys. 1 przed staw io n o m odel plastra łopatki z siatką przekrojów obliczeniow ych. W każdym p rzek ro ju w yróżnia się 5 węzłów obliczeniowych, rozm ieszczonych od strony gorących gazów w k ierunku w nętrza łopatki. Przygotow anie danych do obliczeń jest p raco ch ło n n e, szczególnie w zakresie wielkości geom etrycznych ło p atk i. W celu zautom atyzow ania p rac projektow ych opracow ano p ro g ram generujący d a n e do obliczeń i kreślący ło p a tk ę przedstaw ioną na rys. 1 [6],
Przytoczone niżej rozw ażania dotyczą chłodzonej ło p atk i kierownicy turbiny dla układu chłodzącego, dostosow anego do program u T A C T 1. P rzed m io tem analizy jest ło p a tk a p o k ry ta pow łoką ceram iczną i z chłodzeniem w ew nętrznym za p o m o cą w kładu natryskow ego. Ł o p a tk a je s t przew idyw ana do b a d ań stoiskowych w w arunkach m odelow ych, tj. w te m p e ra tu rz e gazów spalinowych T c = 6 0 0 K.
P rzystępując do obliczeń łopatki chłodzonej staje się zazwyczaj p rz e d zadaniem określenią- na profilu jed n eg o z podstawow ych w arunków brzegow ych w wymianie ciepła, tj. rozkładu w spółczynnika przejm ow ania ciepła od przepływ ającego gazu do ło p atk i (alfa). Istnieją tu dwie drogi postępow ania: obliczenia teoretyczne rozkładów w sp ó łczy n n ik a alfa i sk o rzy stan ie z w yników p rz e p ro w a d z o n y c h b a d a ń ek sp e ry m e n ta ln y c h . Z analizy zeb ran y ch d anych dośw iadczalnych, często kontrow ersyjnych, przedstaw iono na rys. 2 rozkłady współczynników alfa, k tó re uznano za odpow iednie do w ykorzystania w obliczeniach.
W celu w ykazania intensywności oddziaływ ania tych zróżnicow anych rozkładów w spółczynnika przejm ow ania ciepła na zachodzące w ło p atce procesy cieplne w ykonano obliczenia dla dw óch rozkładów alfa: A3 i A2. R ezultaty przeprow adzonych obliczeń p rzed staw io n o na rys. 3 i 4. Aby bardziej uwypuklić transform ację alfy n a te m p e ra tu rę łopatki, natryskiw ano z w kładu perforow anego tylko kraw ędź n atarcia w przek ro jach 1, 2, i 3 (rys. 1). C ała pozostała część łopatki była chłodzona konw ekcyjnie. Wyjściowa ilość p o w ietrza użytego do chłodzenia plastra o wysokości 9 m m dla wszystkich p rzypadków była stała i wynosiła 1.2 kg/h. Stanow i to około 0.5% ilości pow ietrza chłodzącego, p o b ieran eg o ze sprężarki.
D o pokrycia pow ierzchni zew nętrznej ło p atk i użyto pow łoki ceram icznej z m ateriału o znanych w łaściowościach izolacyjnych, tj. ytrii stabilizow anej cyrkonią (Y 2O 0 - Z rC ^ ).
W spółczynnik przew odnictw a cielnego tego m ateriału wynosi 0.008 - 0.01 W /m *K.
Skuteczność izolacji term icznej p rzeb ad an o dla trzech grubości pow łok ceram icznych:
0.2, 0.3 i 0.4 mm.
N a rys. 3 przedstaw iono w sposób zbiorczy wyniki zrealizow anych obliczeń cieplnych. G ó rn e krzywe oznaczone sym bolam i "C" przedstaw iają te m p e ra tu ry na pow ierzchni ceram iki od strony gorącego gazu. R ozkłady te przenoszą w iernie na te m p e ra tu rę zm iany w spółczynnika alfa, z odróżnieniem pow ierzchni ssącej i ciśnieniow ej profilu. W dolnej części rysunku, poniżej tem p eratu ry 400 K, przebiegają reg u larn ie i z ten d en c ją do wyrównania rozkłady tem p eratu ry m etalu ło p atk i pokrytej ceram iką. N ajniższą krzywą, przedstaw iającą praw ie całkowicie w yrów naną te m p e ra tu rę ło p atk i, uzyskano przy zwiększonym do 2% w ydatku pow ietrza chłodzącego. Poniżej najwyższych te m p e ra tu r położona je st krzywa "M", stanow iąca rozkład te m p e ra tu ry bez ceram iki. Sym bolem "NATR" oznaczono te m p e ra tu rę łopatki bez ceram iki, ale przy pełnym w ykorzystaniu możliwości chłodzących w kładu perforow anego i przy zw iększonym w ydatku pow ietrza chłodzącego - łącznie 5% .
R ysunek 4 przedstaw ia rezultaty obliczeń dla w spółczynnika przejm ow ania ciepła
"A2" (rys. 2), przyjm ującego w artości niższe w porów naniu z "A3", użytym w obliczeniach i przedstaw ionych na rys. 3. Jakościow o rezultaty przedstaw ione na rys. 4 są p o d o b n e do wyników prezentow anych na rys. 3. T ak że i tu w idoczna jest tran sfo rm acja w spółczynnika alfa na te m p e ra tu rę ceram iki i w yrów nane rozkłady te m p e ra tu ry m etalu łopatki. Należy też podkreślić m alejącą skuteczność grubszych pow łok. N a om aw ianym rysunku p okazano rów nież zachow anie się te m p e ra tu ry m etalu ło p atk i w przypadku pojaw ienia się ubytków masy ceram icznej. O bliczenia wykazują, że w m iejscach uszkodzeń nie obserw uje się lokalnych, wysokich w zrostów tem p eratu ry , a jed y n ie pew n e podniesienie jej poziom u.
Przytoczone przykłady potw ierdzają przydatność warstwy ceram icznej jak o izolatora części m etalow ej łopatki. Szersze upow szechnienie tej m etody w ym aga obniżenia
wysokich kosztów tej technologii, zw iększenia precyzji n ak ład a n ia w arstw i b ad ań trw ałościow ych.
3. P O D S U M O W A N IE
Z p rzep ro w ad zo n ej analizy w ynikają n astęp u jące wnioski:
1. P ow łoka ceram iczna je st b ard zo skutecznym i efektyw nym m ateriałem chroniącym m etalow ą ło p a tk ę p rzed działaniem gorących gazów (obniżenie te m p e ra tu ry w zględem tem p eratu ry ceram iki wynosi 200 - 250 stopni).
2. Z różnicow any rozkład tem p eratu ry na pow łoce ceram icznej (wynik transform acji w spółczynnika przejm ow ania ciepła "A3 i A2") je s t już n a pow ierzchni m etalu ło p atk i w przybliżeniu w yrów nany (bardzo cenne zjawisko).
3. U szk o d zen ia (ubytki) pow łoki ceram icznej, k tó re m ogą pow stać w czsie eksploatacji, nie doprow adzają w m iejscach odsłoniętych do w zrostów te m p eratu ry , a w zasadzie do p o dniesienia średniego poziom u te m p e ra tu ry m etalu łopatki.
L IT E R A T U R A
[1] T. A rts, M . L a m b e rt de R ouvroit: A ero - T h erm a l P erfo rm an ce o f a Tw o - Dim.
Highly L o a d e d T ransonic T u rb in e N ozzle G uide; V ane: A T est C ase fo r Inviscid an d V iscous Flow C om putations, T rans, o f th e A SM E , J. o f T urbom achinery, vol. 114 no. 1, 1992
[2] R ay m o n d E . G augler: T A C T 1 A C o m p u ter P ro g ram fo r th e T ra n sie n t T h erm al Analysis o f a C ooled T u rb in e B lade o r V ane E q u ip p e d w ith a C o o lan t Insert, N A SA T P 1271, 1978 o raz N A SA T P 1391, 1979
[3] D . J. G a u n te r, Jam es Sucec: M ethod for C alculating C onvective H e a t T ra n sfe r C oefficients over T u rb in e V ane Surfaces, N A SA T P 1134, 1978
[4] P. K rysztofik: P ro g ram obliczający lokalne w spółczynniki przejm ow ania ciepła od gazu n a profilu ło p atk i turbiny; opracow anie wewn. IL, 1992 r.
[5] Z . Lisewski: A naliza kierunków p rac i m eto d wymiany ciepła w ło p a tc e chłodzonej turbiny osiowej, o p racow anie wewn. IL, 1992 r.
[6] L. R zeszu tek : P ro g ram "G EN TA C T" do generacji geom etrii ło p a tk i chłodzonej;
o p raco w an ie w ewn. IL, 1992 r.
R ecen zen t: D r. hab. inż. Jerzy Św ider
W płynęło do R edakcji w grudniu 1993r.
A b stra c t
G as tu rb in es w ith cooled vanes and blades are a t p resen t alm ost generally applied in c o n tem p o rary aircraft engines. T h e coolant air is taken from th e co m p resso r o f the engine. T h e d ro p o f th e air influences unprofitably on the p erfo rm an ce o f the engine.
T h e re fo re m o re efficient cooling schem es are req u ired to red u ce the loss of p erfo rm a n c e . In cooling schem es, th e re a re usually used com bined m ethods, such as:
fo rced convection, im pingem ent cooling w ith cross - flow, forced convection aro u n d the pin - fin an d film cooling. T hese m ethods are com pleted with ceram ic coatings, which a re th e rm a l - b a rrie r for th e hot gas flux. F o r the p u rp o se o f analysing the effectiveness o f ceram ic coatings, w as used the p ro g ram m e code from the p a p e r - N A S A T P [2]. F ig .l refers to th e cooling schem e, m en tio n ed in [2], an d shows a te st vane. Its destination are m odelling steady - state h e a t - tran sfer tests in a fo u r - v an e cascade facility. T h erefo re th e calculations, p re se n te d in this p ap er, are d o n e a t th e te m p e ra tu re 600 K. T h e results o f th e co m putational analyses a re g ath ered in fig. 3 an d 4. T h e results p resen ted in fig. 3, are based on th e h e a t - tran sfer coefficient distribution, m ark ed with - ’A 3" and the results in fig. 4 - on th e curve "A2", respectively (see fig. 2). T h e analysis w as done by th e assum ption, th a t the flow rate of co o lan t air is nearly 10 tim es less th an usually used.
T h e results o b tain ed from this analytical investigation a re as follows: 1.) the ceram ic co atin g is a very effective m aterial preventing the m etal wall from h o t - gas action, and th e cooling has a g re a t effectiveness (te m p e ra tu re drop: 200 - 250 d egree),
2.) th e differential distributions o f te m p e ra tu re (the effect o f h e a t - tran sfer coefficient distrib u tio n s) on th e ceram ic coating, a re on the m etal wall - low er and a t a nearly eq u al level fo r th e suction and pressure surfaces,
3.) as can b e seen in fig. 4, the losses o f the ceram ic coating d o n ’t cause the local te m p e ra tu re grow th o f the m etal, but arise only the m ean level o f te m p e ra tu re .
06 08 ID
Rys. L Przekrój poprzeczny badawczej łopatki kierownicy turbiny z wewnętrznym układem chłodzenia (wkład perforowany). Wzdłuż obwodu profilu rozmieszczono 55 przekrojów a w każdym z nich, S węzłów obliczeniowych
Fig. i. Cross - stctional midspon vi«w cf Ust ran« with tłu internat cooting coajiguratwn (impingement insert).
Aiong th« proflU, tfurt ar« 55 stations with 5 computational nodes across th* wali cf th t ran«
* ♦ * * « A
1
W K M M I A2
+ - H - H A3 99999
A SRys. 2. Porównanie rozkładów współczynnika przejmowania ciepła na profilu kierownicy turbiny.
Wyniki badań eksperymentalnych i teoretycznych.
Legenda: Al, A2, A3 [1] . Al: Ma »1.1, Re»S*10S;
A2i Ma =1.07, Re=10*S} A3i Ma =1.09, Re=2»10<i) AS, Aó [4]. rozkłady teoretyczne: Ma a l l , Ma =1.3 Fig. 2. Comparison of Juat - transfer coefficient distributions around the profile o f a vane. The confident come from tests and theoretical results. Symbols: A l, A2, A3 ( I ] - A lt M o-1 .1 , Re=S*10Sj A2: Mo =1.07, R e = l(fij A3i M a=1.09, £ e = 2 9l( fi; AS, M [4 ] - theoretical distributions: M a m l.l, M am l.3
o o o ee M (0.2)
* * * * * M (0.3) AtSiSaa M (0.4)
M (0.3) 30 11 u i m n i r r| n i n m m u 1 1 1 r n » | n i | t i u 11 111 u 11 1 11 t m 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 numery przekrojów obliczeniowych na profilu
Rys.3. Rozkłady temperatury na powierzchni ceramiki 1 metalowej Ścianki łopatki dla trzech grubo Set ceramiki (0.2, 0.3, 0.4 mm), oraz bez ceramiki (M 2.)j 0.5% powietrza chłodzącego. NATR; chłodzenie za pomocą wkładu perforowanego (S% powietrza do chłodzenia). C-0.3 3- oraz M-0.3 3. <jia 2% powietrza chłodzącego. Wapółcz. przejm. ciepłai A3 wg ryz 2 Fig. 3. Temperature distributions on the ceramic surface and on the metal wall cf a vane; three thickness of coating (0.2, 0.3, 0.4 mm) and without a ceramic coat (M ?•);
0.5% of cooling air. NATRi impingement insert with 5%
cf coolant air. C-0.3 3 and M-0.3 3.. ceramic coating thickness: 0.3 mm and 2% cf cooling air. Heat - transfer coefficient: A3 (fig. 2.)
W W C-0.2
B B B B B C-0.4 ^
* * * * * C-0.3
***** C-0.4
260 łrnrnnTrTTTi 1 11 1 1 11111111 u ri-pn I u 11 1'1 1 ' ' ' I ' i ' I ■ n i 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 numery przekrojów obliczeniowych na profilu Rys.4. Rozkłady temperatury na powierzchni ceramiki 1 metalowej Ścianki łopatki dla trzech grubofci warstwy ceramicznej (0.2, 0.3, 0.4 mm), oraz bez ceramiki (M l j ; 0.5% powietrza chłodzącego. C.0.4 oraz M-0.4 2. dla ubytków warstwy ceramicznej. Wsp.
przejmowania ciepła alb wg A2 (rys. 2.)
fig. 4. Temperatura distributions on the ceramic surface and on the metal wali cf títe vane; three values cf coating thtckness (0.2, 0.3, 0.4 mm) and withoui the ceramic coat (M L); 0.5% cf cooting air. C-0.4 and M-0.4 ?■: for ceramic coating with places cf rupture. Heat - transfer coeff.;A2(fig.2.),
