Инженеры, задавшись целью повысить эффективность газотурбинных двигателей, постоянно стремились найти способ использовать всё более высокие температуры на входе в турбину. И в итоге пришли к разработке сложных технологий охлаждения лопаток турбины, критически важного компонента, работающего в чрезвычайно жестких условиях эксплуатации. Аддитивное производство металлов (AП) предлагает принципиально новый подход к проектированию и изготовлению лопаток турбины, особенно для сложных внутренних каналов охлаждения. Технология селективного лазерного плавления (<#link#L-PBF/СЛП#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fam.tech%2Fproduct%2Fslm-3d-printeri%2F#>) позволяет создавать сложные геометрии, недостижимые с помощью традиционных методов производства.
Одним из вызовов, стоящих перед аддитивщиками, является «борьба» или принятие как должное шероховатости поверхности внутри компонентов, получаемых с помощью АП. Этот недостаток, являющийся следствием совокупности факторов (размер частиц металлопорошковых композиций (МПК) + толщина слоя печати + диаметр лазерного пятна и т.п.), можно стратегически регулировать и использовать для улучшения теплопередачи в каналах охлаждения. В результате повышается эффективность охлаждения и достигается возможность применения еще более высоких рабочих температур.
В этой статье мы рассмотрим взаимосвязь между толщиной получаемого в результате техпроцесса слоя, шероховатостью поверхности и теплопередачей. А также предложим практические рекомендации по оптимизации конструкции и производительности охлаждающих каналов в лопатках турбин.
Зачем нужны охлаждающие каналы
Лопатки турбин работают в экстремальных условиях, выдерживая высокие температуры, давление и центробежные силы. Поскольку горячие газообразные продукты сгорания протекают мимо лопаток, извлекая энергию для привода турбины, сами лопатки подвергаются интенсивным термическим нагрузкам. Для предотвращения деградации материала и выхода детали из строя необходимы эффективные механизмы охлаждения.
Рис. Газовая турбина Siemens STG 800 для производства электроэнергии (Siemens Energy AB)
Внутренние охлаждающие каналы в лопатке турбины играют важную роль в рассеивании тепла и поддержании приемлемых рабочих температур. Эти каналы, часто имеющие сложную геометрию для максимизации площади поверхности теплопередачи, обеспечивают поток охлаждающей жидкости из ступеней компрессора.
Сложная геометрия – не препятствие для АП
Традиционные методы изготовления турбинных лопаток, такие как прецизионное литье, накладывают ограничения на достижимую сложность внутренних каналов охлаждения. Процессы AП для металлов, в частности СЛП, в корне изменили ситуацию, предоставляя беспрецедентную свободу проектирования для создания сложных геометрий каналов охлаждения с оптимизированными характеристиками для улучшенной теплопередачи.
Рис. Методы охлаждения лопаток
Способность AП создавать детали слой за слоем, непосредственно на основе цифровой модели, позволяет внедрять ряд полезнейших функций:
– змеевидные каналы: эти извилистые каналы увеличивают длину пути потока охлаждающей жидкости, увеличивая время теплообмена с материалом лопатки.
– игольчатые массивы: решетки из штифтовых ребер внутри канала создают турбулентность и разрушают тепловой пограничный слой, усиливая конвективный теплообмен.
– особенности импульсивного охлаждения: АП позволяет изготавливать точно расположенные форсунки или сопла внутри каналов охлаждения для направления потока охлаждающей жидкости в критические высокотемпературные зоны, максимально увеличивая локальное рассеивание тепла.
Неизбежная шероховатость
Послойная природа процессов AП предоставляет свободу проектирования, однако цена этой свободы – более высокая степень шероховатости поверхности по сравнению с традиционными методами – литьем или механической обработкой. Эта шероховатость под микроскопом выглядит как совокупность микронеровностей, образующих рельеф поверхности детали, или в природном представлении – гористый ландшафт со сложной топографией пиков, впадин и выступов, влияющих на поток жидкости и теплопередачу в каналах охлаждения.
Основные параметры шероховатости поверхности:
– Ra (средняя): среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины. Будучи в целом полезной отправной точкой, она дает ограниченное представление о сложности шероховатости поверхностей.
– Rz (по 10 точкам): высота неровностей профиля по десяти точкам. Этот параметр дает представление об экстремумах профиля поверхности, что может быть особенно актуально при нарушении потока и возникновении турбулентности.
– Rq (среднеквадратичная): среднее квадратическое отклонение профиля. Более высокие значения Rq обычно указывают на большее изменение высоты поверхности и более выраженную шероховатость.
– Rsk (асимметрия): количественно определяет симметрию распределения высоты поверхности. Положительный Rsk предполагает поверхность с большим количеством пиков, чем впадин, тогда как отрицательный Rsk указывает на поверхность, на которой преобладают впадины.
Rku (эксцесс): описывает резкость распределения высоты поверхности. Высокие значения Rku указывают на поверхность с преимущественно высокими, острыми пиками и низкими впадинами, что часто связано с повышенной турбулентностью и теплопередачей.
Что улучшает теплопередачу
Наличие элементов шероховатости на внутренних поверхностях охлаждающих каналов изменяет поле потока, что и обеспечивает улучшение теплопередачи посредством нескольких механизмов:
– увеличенная площадь поверхности: чем больше шероховатость, тем больше эффективная площадь поверхности по сравнению с гладкими поверхностями, что обеспечивает большую площадь контакта для теплообмена между материалом лопатки и охлаждающей жидкостью.
– повышенная турбулентность: элементы шероховатости нарушают ламинарный поток охлаждающей жидкости, способствуя разделению потока и образованию вихрей и завихрений, что приводит к повышенной турбулентности. Эта турбулентность усиливает перемешивание охлаждающей жидкости и нарушает тепловой пограничный слой, улучшая конвективный теплообмен.
– соударение и рециркуляция: определенные особенности шероховатости могут создавать локализованные области соударения, где охлаждающая жидкость напрямую воздействует на поверхность, или зоны рециркуляции, где поток охлаждающей жидкости образует замкнутые контуры. Оба механизма способствуют высокоэффективной передаче тепла в целевых областях.
Конкретная связь между параметрами шероховатости и теплопередачей сложна и зависит от ряда факторов:
– число Рейнольдса (Re): режим течения в канале охлаждения (ламинарный, переходный или турбулентный) существенно влияет на воздействие шероховатости. В целом, эффекты шероховатости более выражены в турбулентных потоках, где поток уже склонен к перемешиванию.
– число Прандтля (Pr): это свойство представляет собой отношение коэффициента диффузии импульса к коэффициенту температуропроводности в охлаждающей жидкости. Жидкости с более высоким Pr, например, вода, более чувствительны к шероховатости поверхности по сравнению с жидкостями с более низким Pr, такими как воздух.
– размер, форма и распределение элементов шероховатости: конкретные характеристики элементов шероховатости, включая их высоту, расстояние и ориентацию относительно направления потока, играют определенную роль при оценке их влияния на теплопередачу.
Конструктивные соображения по оптимизации каналов охлаждения
Чтобы успешно использовать преимущества контролируемой шероховатости для улучшения теплопередачи в охлаждающих каналах, изготовленных посредством АП, нужно принять во внимание следующее:
– выбор материала: различные материалы AП по-разному реагируют на параметры лазера, что влияет на достижимую шероховатость поверхности. Исследуйте и выбирайте материалы, которые обеспечивают благоприятный баланс между механическими свойствами и контролируемыми характеристиками шероховатости поверхности в соответствии с конкретными требованиями к охлаждению.
– оптимизация параметров процесса: технологические параметры СЛП, включая мощность лазера, скорость сканирования, интервал между дорожками и толщина слоя напрямую влияют на динамику ванны расплава и характер кристаллизации, которые, в свою очередь, определяют итоговую шероховатость поверхности. Проводите систематические эксперименты или симуляции для составления карт параметров процесса, которые позволяют достичь желаемых характеристик шероховатости.
– вычислительная гидродинамика (CFD): используйте CFD-моделирование для моделирования и анализа потока охлаждающей жидкости и теплопередачи в каналах охлаждения. С их помощью можно предсказать влияние различных профилей шероховатости поверхности на перепад давления, коэффициенты теплопередачи и распределение температуры внутри лопатки.
– экспериментальная проверка: подтвердите результаты CFD и доработайте конструкцию с помощью экспериментального тестирования. Такие методы, как инфракрасная термография (изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей), могут предоставить ценную информацию о распределении температуры поверхности для оценки эффективности охлаждения и определения горячих мест.
Подведем итоги
Аддитивное производство металлов революционизирует проектирование и изготовление лопаток газовых турбин, позволяя инженерам создавать сложные внутренние каналы охлаждения с оптимизированными характеристиками для улучшенной теплопередачи. Понимая и стратегически контролируя шероховатость поверхности в процессах AП, можно еще больше повысить эффективность охлаждения, обеспечивая более высокие температуры на входе в турбину и в конечном итоге повышая производительности и КПД двигателя.
<#link#Источник#URL%3Ahttps%3A%2F%2Fwebthesis.biblio.polito.it%2Fsecure%2F32249%2F1%2Ftesi.pdf#>.
