Основи на турбината - Технология за охлаждане на турбина и лопатка България

Структура на турбината с аксиален поток

Турбината е ротационна силова машина, която преобразува енталпията на работния флуид в механична енергия. Той е един от основните компоненти на авиационни двигатели, газови турбини и парни турбини. Преобразуването на енергия между турбините и компресорите и въздушния поток е противоположно по процедура. Компресорът консумира механична енергия, когато работи, а въздушният поток получава механична енергия, когато протича през компресора, и налягането и енталпията се увеличават. Когато турбината работи, работата на вала се извежда от вала на турбината. Част от работата на вала се използва за преодоляване на триенето на лагерите и задвижване на аксесоарите, а останалата част се поема от компресора.

Тук се обсъждат само турбини с аксиален поток. Турбината в газотурбинния двигател обикновено се състои от множество етапи, но статорът (пръстен на дюзата или водач) е разположен пред въртящото се работно колело. Каналът на лопатката на етапа на турбинния елемент е конвергентен и газът с висока температура и високо налягане от горивната камера се разширява и ускорява в него, докато турбината извършва механична работа.

Характеристики на топлообмен на външната повърхност на турбинната лопатка

Коефициентът на конвективен топлопренос между газа и повърхността на лопатката се изчислява с помощта на формулата за охлаждане на Нютон.

За повърхността на натиск и повърхността на засмукване коефициентът на конвективен топлопренос е най-висок при предния ръб на острието. Тъй като ламинарният граничен слой постепенно се удебелява, коефициентът на конвективен топлопренос постепенно намалява; в точката на прехода коефициентът на конвективен топлопренос внезапно се увеличава; след прехода към турбулентния граничен слой, тъй като вискозният долен слой постепенно се удебелява, коефициентът на конвективен топлопренос постепенно намалява. За смукателната повърхност, разделянето на потока, което може да възникне в задната част, ще доведе до леко увеличаване на коефициента на конвективен топлопренос.

Ударно охлаждане

Ударното охлаждане е да се използват една или повече струи студен въздух за въздействие върху горещата повърхност, образувайки силен конвективен топлопренос в зоната на удара. Характеристиката на импулсното охлаждане е, че има висок коефициент на топлопреминаване на повърхността на стената на зоната на стагнация, където въздейства студеният въздушен поток, така че този метод на охлаждане може да се използва за прилагане на фокусирано охлаждане на повърхността.

Ударното охлаждане на вътрешната повърхност на предния ръб на лопатката на турбината е ограничено пространство при ударно охлаждане и струята (студен въздушен поток) не може да се смесва свободно с околния въздух. Следващото въвежда охлаждането при удар на равнинна мишена с един отвор, което е основата за изследване на въздействието на потока при удар и преноса на топлина.

Потокът на мишена с вертикална ударна равнина с един отвор е показан на фигурата по-горе. Плоската мишена е достатъчно голяма и няма въртене, а на повърхността няма друга течност с напречен поток. Когато разстоянието между дюзата и целевата повърхност не е много близко, част от изхода на струята може да се разглежда като свободна струя, а именно сърцевината (ⅰ) и основната секция (Ⅱ) на фигурата. Когато струята се доближи до целевата повърхност, външната гранична линия на струята започва да се променя от права линия към крива и струята навлиза в зоната на завъртане (ⅲ), наричана още зона на застой. В зоната на застой струята завършва прехода от поток, перпендикулярен на целевата повърхност, към поток, успореден на целевата повърхност. След като самолетът достигне 90° завой, той влиза в зоната на струята на стената (IV) на следващата секция. В зоната на струята на стената течността тече успоредно на целевата повърхност, а външната й граница остава права линия. В близост до стената има изключително тънък ламинарен граничен слой. Струята носи голямо количество студен въздух и скоростта на пристигане е много висока. Турбулентността в зоната на стагнация също е много голяма, така че коефициентът на топлопреминаване на ударното охлаждане е много висок.

Конвекционно охлаждане

（1）Радиален канал за директно охлаждане вътре в острието

Охлаждащият въздух тече директно през вътрешната кухина на направляващата лопатка в радиална посока, абсорбирайки топлина чрез конвективен топлопренос, за да намали температурата на тялото на острието. Въпреки това, при условие на определен обем охлаждащ въздух, коефициентът на конвекционен топлопренос на този метод е нисък и охлаждащият ефект е ограничен.

(2) Множество охлаждащи канали вътре в острието (дизайн с множество кухини)

Дизайнът с множество кухини не само увеличава коефициента на конвективен топлопренос между студения въздух и вътрешната повърхност на лопатката на турбината, но също така увеличава общата топлообменна площ, увеличава вътрешния поток и времето за топлообмен и има висок студен въздух коефициент на използване. Охлаждащият ефект може да се подобри чрез разумно разпределение на потока студен въздух. Разбира се, дизайнът с множество кухини има и недостатъци. Поради голямото разстояние за циркулация на охлаждащия въздух, малката циркулационна площ и множеството завъртания на въздушния поток, съпротивлението на потока ще се увеличи. Тази сложна структура също така увеличава трудността на обработката на процеса и повишава разходите.

(3)Оребрената структура подобрява конвективния топлообмен и охлаждането на колоната на спойлера

Всяко ребро в структурата на ребрата действа като елемент на смущение на потока, което кара течността да се отдели от граничния слой и да образува вихри с различна сила и размери. Тези вихри променят структурата на потока на флуида и процесът на пренос на топлина се подобрява значително чрез увеличаване на турбулентността на флуида в зоната близо до стената и периодичния обмен на маса между големите вихри и основния поток.

Охлаждането на спойлерната колона трябва да има няколко реда цилиндрични ребра, подредени по определен начин във вътрешния охлаждащ канал. Тези цилиндрични ребра не само увеличават топлообменната площ, но също така увеличават взаимното смесване на студен въздух в различни зони поради смущението на потока, което може значително да увеличи ефекта на топлопредаване.

Филмово охлаждане

Охлаждането с въздушен филм е издухване на студен въздух от дупките или пролуките на горещата повърхност и образуване на слой от филм със студен въздух върху горещата повърхност, за да се блокира нагряването на твърдата стена от горещия газ. Тъй като филмът със студен въздух блокира контакта между основния въздушен поток и работната повърхност, той постига целта на топлоизолация и предотвратяване на корозия, така че в някои литературни източници този метод на охлаждане се нарича бариерно охлаждане.

Дюзите за филмово охлаждане обикновено са кръгли отвори или редици кръгли отвори, а понякога са направени в двуизмерни слотове. В действителните охлаждащи конструкции обикновено има определен ъгъл между дюзата и повърхността, която се охлажда.

Голям брой проучвания върху цилиндрични отвори през 1990-те години на миналия век показаха, че съотношението на издухване (съотношението на плътния поток на струята към основния поток) ще повлияе значително на ефекта на охлаждане на адиабатичния филм на един ред цилиндрични отвори. След като студената въздушна струя навлезе в зоната на основния високотемпературен газ, тя ще образува двойка въртящи се напред и назад вихрови двойки, известни също като бъбрековидни вихрови двойки. Когато духащият въздух е сравнително висок, в допълнение към предните вихри, изходящият поток също ще образува противоположно въртящи се вихри. Този обратен вихър ще улови високотемпературния газ в основния поток и ще го отведе до задния ръб на прохода на лопатката, като по този начин ще намали ефекта на охлаждане на филма.