أساسيات التوربين - تقنية تبريد التوربين والشفرات

هيكل توربين التدفق المحوري

التوربين هو آلة قوة دوارة تقوم بتحويل محتوى الطاقة (الانثالبي) للسائل العامل إلى طاقة ميكانيكية. إنه أحد المكونات الرئيسية لمحركات الطائرات، التوربينات الغازية وتوربينات البخار. عملية تحويل الطاقة بين التوربينات والمضغوطات والتدفق الهوائي تكون عكسية الإجراء. يستهلك المضغوط طاقة ميكانيكية أثناء تشغيله، ويكتسب التدفق الهوائي طاقة ميكانيكية عند مروره عبر المضغوط، مما يؤدي إلى زيادة الضغط والمحتوى الحراري (الانثالبي). أثناء تشغيل التوربين، يتم إخراج العمل من محور التوربين. جزء من هذا العمل يُستخدم للتغلب على الاحتكاك في الدعائم وتشغيل الملحقات، بينما يتم امتصاص الباقي بواسطة المضغوط.

يتم هنا مناقشة توربينات التدفق المحوري فقط. يتكون التوربين في محرك التوربين الغازي عادةً من عدة مراحل، ولكن المكثف (حلقة الفوهة أو الدليل) يقع أمام المضخة الدوارة. يكون القناة الشفرية لمرحلة عنصر التوربين متقاربة، ويتمدد ويتسرع الغاز ذي درجة الحرارة والضغط العالي القادم من غرفة الاحتراق داخلها، بينما يقوم التوربين بإخراج العمل الميكانيكي.

خصائص نقل الحرارة على سطح شفرة التوربين الخارجي

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

بالنسبة لسطح الضغط وسطح الشفط، يكون معامل نقل الحرارة بالحمل الأعلى عند حافة الشفرة الأمامية. بينما يسicken تدريجياً طبقة الحد اللaminar، يتناقص معامل نقل الحرارة بالحمل تدريجياً؛ عند نقطة الانتقال، يزداد معامل نقل الحرارة بالحمل فجأة؛ بعد انتقال الطبقة الحدودية إلى الطور turbulent، مع تكثيف الطبقة السفلية اللزجة تدريجياً، يتناقص معامل نقل الحرارة بالحمل تدريجياً. بالنسبة لسطح الشفط، فإن انفصال التدفق الذي قد يحدث في القسم الخلفي سيتسبب في زيادة طفيفة في معامل نقل الحرارة بالحمل.

تبريد الصدمات

تبريد التأثير هو استخدام واحد أو أكثر من النفاثات الهوائية الباردة لضرب السطح الساخن، مما يُشكل نقل حراري بالحمل القوي في منطقة التأثير. خاصية تبريد التأثير هي وجود معامل انتقال حراري عالٍ على سطح الجدار في منطقة الركود حيث يصطدم تدفق الهواء البارد، لذلك يمكن استخدام هذه طريقة التبريد لتبريد مركّز للسطح.

تبريد التأثير للسطح الداخلي لحافة الشفرة المحرّكة هو تبريد تأثير محدود المساحة، ولا يمكن لنفاثة (تدفق الهواء البارد) أن تتداخل بحرية مع الهواء المحيط. فيما يلي سيتم تقديم تبريد التأثير لأهداف مستوية ذات فتحة واحدة، وهو الأساس لدراسة تأثير تدفق التأثير ونقل الحرارة.

يُظهر الشكل أعلاه تدفق هدف مستوٍ متأثر بثقب واحد عموديًا. الهدف المستوي كبير بما يكفي ولا يحتوي على دوران، وليس هناك أي سائل عابر آخر على السطح. عندما لا يكون المسافة بين الفوهة والسطح المستهدف قريبة جدًا، يمكن اعتبار جزء من فتحة النفاث كنفاث حر، وهو ما يسمى القسم الأساسي ( ⅰ ) والقسم الأساسي ( ⅱ ) كما هو موضح في الشكل. عندما يقترب النفاث من سطح الهدف، تبدأ الخطوط الحدودية الخارجية للنفاث في التغير من خط مستقيم إلى منحنى، ويدخل النفاث منطقة الانعطاف ( ⅲ ) والتي تُعرف أيضًا بمنطقة الركود. في منطقة الركود، يكمل النفاث الانتقال من تدفق عمودي على سطح الهدف إلى تدفق موازي لسطح الهدف. بعد أن يكمل النفاث زاوية 90 درجة عندما يدور، يدخل منطقة النفاثة الجدارية (IV) للقسم التالي. في منطقة النفاثة الجدارية، يتدفق السائل موازياً لسطح الهدف، ويظل الحد الخارجي الخاص به خطًا مستقيمًا. قرب الجدار يوجد طبقة حدودية لaminar رقيقة جدًا. تحمل النفاثة كمية كبيرة من الهواء البارد، وسرعة الوصول مرتفعة جدًا. التوربينات في منطقة الركود تكون أيضًا كبيرة جدًا، لذلك يكون معامل نقل الحرارة في تبريد التأثير مرتفعًا.

تبريد الحمل الحراري

（1）قناة تبريد مباشرة شعاعية داخل الشفرة

يتدفق الهواء البارد مباشرة عبر التجويف الداخلي للموجهة في الاتجاه الشعاعي، امتصاص الحرارة عن طريق نقل الحرارة بالحمل الحراري لتقليل درجة حرارة جسم الشفرة. ومع ذلك، تحت شرط كمية هواء بارد محددة، يكون معامل نقل الحرارة بالحمل الحراري لهذا الأسلوب منخفضًا ومحدود التأثير.

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

التصميم متعدد التجاويف لا يزيد فقط من معامل نقل الحرارة بالحمل بين الهواء البارد والسطح الداخلي للشفرة涡bine، ولكنه يزيد أيضًا من مساحة التبادل الحراري الإجمالية، ويزيد من تدفق السوائل الداخلية ووقت التبادل الحراري، ولديه معدل استخدام عالٍ للهواء البارد. يمكن تحسين تأثير التبريد بتوزيع معقول لتدفق الهواء البارد. بالطبع، لهذا التصميم متعدد التجاويف هناك أيضًا عيوب. بسبب المسافة الطويلة لدورة الهواء البارد، ومجال الدورة الصغير، والعديد من المنعطفات في تدفق الهواء، فإن مقاومة التدفق سترتفع. هذه البنية المعقدة تزيد أيضًا من صعوبة المعالجة وتزيد من التكلفة.

（3）تشكل الأضلاع دعمًا لزيادة نقل الحرارة بالحمل والتبريد باستخدام أعمدة المانع الحراري

يعمل كل ضلوع في هيكل الضلوع كعنصر إزعاج للتدفق، مما يسبب للفلuide أن تنفصل عن طبقة الحدود وتتشكل دوامات بأحجام وقوى مختلفة. هذه الدوامات تغير بنية التدفق للسائل، ويتم تعزيز عملية نقل الحرارة بشكل كبير من خلال زيادة اضطراب السائل بالقرب من الجدار والتبادل الدوري للكتلة بين الدوامات الكبيرة والتيار الرئيسي.

تبريد العمود المفسد هو وجود عدة صفوف من الضلوع الأسطوانية مرتبة بطريقة معينة داخل القناة الداخلية للتبريد. هذه الضلوع الأسطوانية لا تزيد فقط من مساحة التبادل الحراري، ولكنها تزيد أيضًا من خلط الهواء البارد في المناطق المختلفة نتيجة لإزعاج التدفق، مما يمكن أن يزيد بشكل كبير من تأثير نقل الحرارة.

تبريد الفيلم

تبريد الفيلم الهوائي هو تفريغ الهواء البارد من الثقوب أو الفجوات على السطح الساخن لتكوين طبقة من فيلم الهواء البارد على السطح الساخن لمنع تسخين الجدار الصلب بواسطة الغاز الساخن. بما أن فيلم الهواء البارد يمنع التلامس بين التيار الرئيسي للهواء والسطح العامل، فإنه يحقق هدف العزل الحراري ومنع التآكل، لذلك تسمي بعض المصادر هذا الأسلوب لتبريد الحواجز.

عادة ما تكون فوهات تبريد الفيلم ثقوب دائرية أو صفوفًا من الثقوب الدائرية، وأحيانًا يتم تصنيعها كفتحات ثنائية الأبعاد. في الهياكل التبريدية الفعلية، يوجد عادة زاوية معينة بين الفوهة والسurface المبردة.

أظهرت العديد من الدراسات حول الثقوب الأسطوانية في التسعينيات أن نسبة النفخ (نسبة تدفق النفاث الكثيف إلى التيار الرئيسي) ستؤثر بشكل كبير على فعالية التبريد الفيلمي المقاوم للحرارة لصف واحد من الثقوب الأسطوانية. بعد دخول النفاث الهوائي البارد إلى منطقة الغازات الساخنة للتيار الرئيسي، فإنه سيشكل زوجًا من الدوامات الدورانية والمعكوسة، والتي تُعرف أيضًا باسم زوج دوامة شكل الكلية. عندما يكون تدفق النفخ مرتفعًا نسبيًا، بالإضافة إلى الدوامات الأمامية، فإن التدفق الخارجي سيشكل أيضًا دوامات مضادة للدوران. هذه الدوامة العكسية ستُحَبِّس الغاز الساخن في التيار الرئيسي وتحمله إلى الحافة الخلفية لممر الشفرة، مما يؤدي إلى تقليل فعالية التبريد الفيلمي.