Основи на турбината - Технология за охлаждане на турбина и лопаст

Структура на осян турбинен механизъм

Турбина е въртяща сила машина, която преобразува енталпията на работеща течност в механична енергия. Тя е една от основните компоненти на авиационни мотори, газови турбини и парови турбини. Процесът на преобразуване на енергия между турбините и компресорите е обратен спрямо airflow. Компрессорът използва механична енергия за работа, докато airflow получава механична енергия, преминавайки през компресора, след което настъпва увеличение на натиск и енталпия. Когато турбината работи, от нея се извежда шафова работа. Част от шафовата работа се използва за преодоляване на триенето на подлаганията и за движение на аксесоарите, а останалата част се поглъща от компресора.

Тук се разглеждат единствено осянни турбины. Турбината в газова турбинна двигател обикновенно се състои от няколко етапа, но статорът ( nozzle ring или насочващ) се намира пред вращащия се импелер. Лопастният канал на турбинния елементен етап е конверgent и високотемпературният и високоосистичностният газ от горенията камара се разширява и ускорява в него, докато турбината извежда механична работа.

Теплопроводни характеристики на външната повърхност на турбинната лопаст

Коефициентът за конвективен теплопремин между газа и повърхността на лопастта се изчислява чрез формулата на Нютон за охлаждане.

За натискната повърхнина и всмукващата повърхнина, коефициентът за конвективен трансфер на топлина е най-висок при предната част на лопастта. Когато ламинарният граничен слой постепенно се засилва, коефициентът за конвективен трансфер на топлина постепенно намалява; при точката на преход коефициентът за конвективен трансфер на топлина внезапно се увеличава; след прехода към турбулентния граничен слой, като вязкостният дънен слой постепенно се засилва, коефициентът за конвективен трансфер на топлина постепенно намалява. За всмукващата повърхнина, възможното отмиране на потока в задната секция ще причини коефициентът за конвективен трансфер на топлина да се увеличи малко.

Шоково охлаждане

Охлаждането с импингмент е да се използват едно или повече студени въздушни струи, които да ударят горещата повърхност, образувайки силен конвективен трансфер на топлина в областта на удара. Характеристиката на охлаждането с импингмент е, че има висок коефициент за прехвърляне на топлина върху стеналната повърхност на зоната на застояване, където студеният въздушен поток я достига, затова този метод за охлаждане може да се използва за прилагане на фокусирано охлаждане на повърхността.

Охлаждането с импингмент на вътрешната повърхност на передния край на турбинния лепестък е ограничено пространство за охлаждане с импингмент, и струята (студен въздушен поток) не може да се смесва свободно с околното въздуха. Следващият раздел представя охлаждането с импингмент на целева повърхност с един отвор, което е основата за изучаване на влиянието на импингмент струята и трансфера на топлина.

Потокът на едноотворова вертикална целева плоскост, както е показано на фигурата по-горе. Плоската целева повърхност е достатъчно голяма и няма ротация, а също така няма друг поперечен течен-fluid на повърхнината. Когато разстоянието между дюзата и целевата повърхност не е много близо, част от изходящия поток може да се счита за свободен поток, наречена ядрената секция ( ⅰ ) и базовата секция ( ⅱ ) на фигурата. Когато потокът се приближава до целевата повърхност, външната гранична линия на потока започва да променя от права линия към крива, и потокът влизал в зоната на завъртане ( ⅲ ), също известна като стагнационна зона. В стагнационната зона, потокът завършва прехода от поток перпендикулярно на целевата повърхност до поток успоредно на целевата повърхност. След като потокът завърши 90 ° когато се завърти, тя влизайки в зоната на стенния поток (IV) на следващия раздел. В зоната на стенния поток течността тече успоредно на целевата повърхност, а нейната външна граница остава права линия. Близо до стена има екстремно тънка ламинарна гранична слойка. Потокът пренася голямо количество студено въздух и скоростта при пристигането е много висока. Турбулентността в зоната на застой също е много голяма, затова коефициентът на трансфер на топлина при ударното охлаждане е много висок.

Конвекционно охлаждане

（1）Радиален пряк охлаждащ канал вътре в лопастта

Охлаждащият въздух протича пряко през вътрешното пространство на ръководната лопастка по радиално направление, поглъщайки топлина чрез конвекционен трансфер на топлина, за да намали температурата на тялото на лопастта. Всичко пак, при определен обем на охлаждащия въздух, коефициентът на конвекционен трансфер на топлина с този метод е нисък и ефектът от охлаждането е ограничен.

(2) Многочислени охлаждащи канали вътре в лопастта (многообластен дизайн)

Многосекционният дизайн не само увеличава коефициента за конвективен топлопроводен превод между студения въздух и вътрешната повърхност на турбинния лепестък, но също така увеличава общата площ за обмяна на топлина, увеличава вътрешния поток и времето за обмяна на топлина, като има висока утилизация на студения въздух. Охлаждащият ефект може да бъде подобрен чрез разпределение на потока на студения въздух. Разбира се, многосекционният дизайн има и недостатъци. Поради дългото разстояние за циркулация на охлаждания въздух, малка площ за циркулация и множество завои на потока на въздуха, се увеличава противното съпротивление. Тази сложна конструкция също увеличава трудността при техническата обработка и прави цената по-висока.

（3）Рипова структура подобрява конвективната топлопроводност и спойлър колоновото охлаждане

Всяка ръбова структура в системата действа като елемент за нарушаване на потока, което води до откъсване на течността от граничния слой и образуване на вихри с различна сила и размер. Тези вихри променят структурата на потока на течността, а процесът на топлопреместване се подобрява значително чрез увеличението на турбулентността на течността в близост до стената и периодичния обмен на маса между големите вихри и основния поток.

Охлаждането с спойлъри се осъществява чрез няколко реда цилиндрични ръбове, arrangirani по определен начин вътре във вътрешния охлаждащ канал. Те не само увеличават площта за топлообмяна, но и подобряват взаимното смесване на хладния въздух в различните области поради нарушението на потока, което може значително да увеличи ефекта от топлопреместването.

Филмово охлаждане

Охлаждането с въздушна филма се извършва чрез издуване на студен въздух през отворите или размеждията върху горещата повърхност, като се образува слой от студен въздушен филм върху нея, който блокира нагряването на твърдата стена от горещите газове. Тъй като въздушната филма предотвратява контакта между основния поток и работната повърхност, постига се целта за термоизолация и предпазване от корозия, затова някои публикации наричат този метод на охлаждане и бариерно охлаждане.

Дюзите за филмово охлаждане обикновено са кръгли отвори или редици от кръгли отвори, а понякога са направени в форма на двумерни засечки. В реалните охлаждащи конструкции обикновено има определен ъгъл между дюзата и охлажданата повърхност.

Голям брой проучвания относно цилиндричните отвори през 1990-те показват, че отношението на продължителност (отношението между плътния поток на джетото и основния поток) ще значително повлияе върху адиабатичния ефект на филмовото охлаждане на един ред цилиндрични отвори. След като хладеният въздушен джет влезе в областта с високотемпературни газове от главния поток, той ще образува двойка въртящи се спираловидни пари – една напреднала и една обратна, които също се наричат нефреновидни спираловидни пари. Когато продължителността на продуването е сравнително висока, освен напредващи спираловидни пари, изтичането ще образува и обратно въртящи се спираловидни пари. Тези обратни спираловидни pari ще затварят високотемпературните газове от основния поток и ще ги доведат до задната част на лопастта, по този начин намалявайки ефекта на филмовото охлаждане.