أساسيات التوربينات - تقنية تبريد التوربينات والشفرات

هيكل توربين التدفق المحوري

التوربين هو آلة دوارة تعمل على تحويل المحتوى الحراري للسائل العامل إلى طاقة ميكانيكية. وهو أحد المكونات الرئيسية لمحركات الطائرات والتوربينات الغازية والتوربينات البخارية. إن تحويل الطاقة بين التوربينات والضواغط وتدفق الهواء يكون معاكسًا في الإجراء. يستهلك الضاغط طاقة ميكانيكية عندما يعمل، ويكتسب تدفق الهواء طاقة ميكانيكية عندما يتدفق عبر الضاغط، ويزداد الضغط والمحتوى الحراري. عندما تعمل التوربينة، يتم إخراج عمل العمود من عمود التوربين. يتم استخدام جزء من عمل العمود للتغلب على الاحتكاك على المحامل وتشغيل الملحقات، ويتم امتصاص الباقي بواسطة الضاغط.

تتم مناقشة التوربينات ذات التدفق المحوري فقط هنا. يتكون التوربين في محرك التوربينات الغازية عادةً من مراحل متعددة، ولكن الجزء الثابت (حلقة الفوهة أو الدليل) يقع أمام الدافع الدوار. قناة الشفرات لمرحلة عنصر التوربين متقاربة، ويتمدد الغاز عالي الحرارة والضغط من غرفة الاحتراق ويتسارع فيها، بينما يخرج التوربين عملاً ميكانيكيًا.

خصائص نقل الحرارة للسطح الخارجي لشفرة التوربين

يتم حساب معامل انتقال الحرارة بالحمل بين الغاز وسطح الشفرة باستخدام صيغة نيوتن للتبريد.

بالنسبة لسطح الضغط وسطح الشفط، يكون معامل نقل الحرارة الحملي هو الأعلى عند الحافة الأمامية للشفرة. مع سماكة طبقة الحدود الرقائقية تدريجيًا، ينخفض ​​معامل نقل الحرارة الحملي تدريجيًا؛ عند نقطة الانتقال، يزداد معامل نقل الحرارة الحملي فجأة؛ بعد الانتقال إلى طبقة الحدود المضطربة، مع سماكة الطبقة السفلية اللزجة تدريجيًا، ينخفض ​​معامل نقل الحرارة الحملي تدريجيًا. بالنسبة لسطح الشفط، فإن فصل التدفق الذي قد يحدث في القسم الخلفي سيؤدي إلى زيادة معامل نقل الحرارة الحملي قليلاً.

تبريد الصدمات

التبريد بالارتطام هو استخدام نفثات هواء بارد واحدة أو أكثر للتأثير على السطح الساخن، مما يشكل نقل حرارة قوي بالحمل الحراري في منطقة التأثير. تتمثل خاصية التبريد بالارتطام في وجود معامل نقل حرارة مرتفع على سطح جدار منطقة الركود حيث يتأثر تدفق الهواء البارد، لذلك يمكن استخدام طريقة التبريد هذه لتطبيق التبريد المركّز على السطح.

إن تبريد الاصطدام للسطح الداخلي للحافة الأمامية لشفرة التوربين هو تبريد اصطدام محدود المساحة، ولا يمكن للنفث (تدفق الهواء البارد) أن يختلط بحرية مع الهواء المحيط. فيما يلي مقدمة لتبريد الاصطدام لهدف مستوٍ ذي ثقب واحد، وهو الأساس لدراسة تأثير تدفق الاصطدام ونقل الحرارة.

يظهر تدفق هدف المستوى الرأسي أحادي الفتحة في الشكل أعلاه. الهدف المستوي كبير بما يكفي ولا يدور، ولا يوجد سائل آخر يتدفق بشكل متقاطع على السطح. عندما لا تكون المسافة بين الفوهة وسطح الهدف قريبة جدًا، يمكن اعتبار قسم من مخرج النفاثة نفاثة حرة، أي القسم الأساسي (ⅰ) والقسم الأساسي (Ⅱ) في الشكل. عندما تقترب الطائرة من سطح الهدف، يبدأ خط الحدود الخارجي للطائرة في التغير من خط مستقيم إلى منحنى، وتدخل الطائرة منطقة الدوران (ⅲ)، وتسمى أيضًا منطقة الركود. في منطقة الركود، تكمل النفاثة الانتقال من تدفق عمودي على سطح الهدف إلى تدفق موازٍ لسطح الهدف. بعد أن تكمل النفاثة دورة 90 درجة،° عند الدوران، يدخل منطقة نفث الجدار (IV) للقسم التالي. في منطقة نفث الجدار، يتدفق السائل بالتوازي مع سطح الهدف، ويظل حدوده الخارجية خطًا مستقيمًا. بالقرب من الجدار توجد طبقة حدودية رقيقة للغاية. تحمل النفاثة كمية كبيرة من الهواء البارد، وسرعة الوصول عالية جدًا. كما أن الاضطراب في منطقة الركود كبير جدًا، وبالتالي فإن معامل انتقال الحرارة لتبريد التأثير مرتفع جدًا.

التبريد الحراري

(1) قناة تبريد مباشرة شعاعية داخل الشفرة

يتدفق هواء التبريد مباشرة عبر التجويف الداخلي لريشة التوجيه في الاتجاه الشعاعي، ويمتص الحرارة من خلال نقل الحرارة بالحمل الحراري لتقليل درجة حرارة جسم الشفرة. ومع ذلك، في ظل ظروف حجم معين من هواء التبريد، يكون معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري لهذه الطريقة منخفضًا ويكون تأثير التبريد محدودًا.

(2) قنوات تبريد متعددة داخل الشفرة (تصميم متعدد التجاويف)

لا يعمل تصميم التجاويف المتعددة على زيادة معامل نقل الحرارة الحملية بين الهواء البارد والسطح الداخلي لشفرة التوربين فحسب، بل يزيد أيضًا من إجمالي مساحة تبادل الحرارة، ويزيد من التدفق الداخلي ووقت تبادل الحرارة، ولديه معدل استخدام مرتفع للهواء البارد. يمكن تحسين تأثير التبريد عن طريق توزيع تدفق الهواء البارد بشكل معقول. بالطبع، تصميم التجاويف المتعددة له عيوب أيضًا. بسبب مسافة دوران الهواء البارد الطويلة، ومنطقة الدوران الصغيرة، والدوران المتعدد لتدفق الهواء، ستزداد مقاومة التدفق. كما يزيد هذا الهيكل المعقد من صعوبة معالجة العملية ويجعل التكلفة أعلى.

(3)يعمل هيكل الضلع على تعزيز نقل الحرارة بالحمل الحراري وتبريد عمود المفسد

يعمل كل ضلع في بنية الضلع كعنصر اضطراب في التدفق، مما يتسبب في انفصال السائل عن الطبقة الحدودية وتكوين دوامات بقوة وأحجام مختلفة. تعمل هذه الدوامات على تغيير بنية تدفق السائل، ويتم تعزيز عملية نقل الحرارة بشكل كبير من خلال زيادة اضطراب السائل في المنطقة القريبة من الجدار والتبادل الدوري للكتلة بين الدوامات الكبيرة والتيار الرئيسي.

تبريد عمود المفسد هو أن يكون هناك صفوف متعددة من الأضلاع الأسطوانية مرتبة بطريقة معينة داخل قناة التبريد الداخلية. هذه الأضلاع الأسطوانية لا تزيد فقط من مساحة تبادل الحرارة، بل تزيد أيضًا من الاختلاط المتبادل للهواء البارد في مناطق مختلفة بسبب اضطراب التدفق، مما يمكن أن يزيد بشكل كبير من تأثير نقل الحرارة.

تبريد الفيلم

تبريد الفيلم الهوائي هو نفخ الهواء البارد من الفتحات أو الفجوات الموجودة على السطح الساخن وتشكيل طبقة من فيلم الهواء البارد على السطح الساخن لمنع تسخين الجدار الصلب بواسطة الغاز الساخن. نظرًا لأن فيلم الهواء البارد يحجب الاتصال بين تدفق الهواء الرئيسي وسطح العمل، فإنه يحقق غرض العزل الحراري ومنع التآكل، لذلك تسمي بعض الأدبيات أيضًا طريقة التبريد هذه تبريد الحاجز.

عادةً ما تكون فوهات تبريد الفيلم عبارة عن فتحات دائرية أو صفوف من الفتحات الدائرية، وأحيانًا يتم تصنيعها في فتحات ثنائية الأبعاد. في هياكل التبريد الفعلية، توجد عادةً زاوية معينة بين الفوهة والسطح الذي يتم تبريده.

أظهر عدد كبير من الدراسات حول الثقوب الأسطوانية في التسعينيات أن نسبة النفخ (نسبة التدفق الكثيف للنفث إلى التيار الرئيسي) ستؤثر بشكل كبير على تأثير تبريد الفيلم الأدياباتي لصف واحد من الثقوب الأسطوانية. بعد دخول نفاثة الهواء البارد إلى منطقة الغاز عالية الحرارة السائدة، ستشكل زوجًا من أزواج الدوامات الدوارة الأمامية والعكسية، والمعروفة أيضًا باسم زوج الدوامة على شكل كلية. عندما يكون الهواء المنفجر مرتفعًا نسبيًا، بالإضافة إلى الدوامات الأمامية، سيشكل التدفق الخارجي أيضًا دوامات دوارة معاكسة. ستحبس هذه الدوامة العكسية الغاز عالي الحرارة في التيار الرئيسي وتجلبه إلى الحافة الخلفية لممر الشفرة، وبالتالي تقليل تأثير تبريد الفيلم.