Základy turbíny - Technologie chlazení turbíny a listů

Konstrukce axiálního toku turbiny

Turbína je rotující pohonová stroj, který převádí entalpii pracného prostředku na mechanickou energii. Je jednou z hlavních součástí letadlových motorů, plynových turbín a parních turbín. Proces převodu energie mezi turbínami a kompresory a vzdušným proudem je opačný. Kompresor spotřebovává mechanickou energii při běhu a vzdušný proud získává mechanickou energii při procházení kompresorem, čímž roste tlak a entalpie. Při běhu turbíny je práce odtokové hřídele vydávána z osy turbíny. Část této práce se používá k překonání tření ve válcích a k pohonu příslušenství, zbytek je absorbován kompresorem.

Zde jsou diskutovány pouze turbíny s osovým průtokem. Turbína v plynovém motoru obvykle skládá z více stupňů, ale stator (tryskové kolo nebo vodič) je umístěn před rotujícím vánkem. Lopatkový kanál jednotlivého stupně turbíny je konvergentní a v něm se rozšiřuje a zrychluje vysokoteplý a vysoko-tlaký plyn z hořáku, zatímco turbína vykonává mechanickou práci.

Teplotní vlastnosti vnějšího povrchu lopatky turbíny

Konvektivní teplotní přenos mezi plynem a povrchem lopatky je spočítán pomocí Newtonovy ochlazovací formule.

Pro tlakovou a sugestní plochu je koeficient konvektivního teplоперenосu nejvyšší v čepele u jejího předního okraje. Když se laminární hraniční vrstva postupně ztloustne, koeficient konvektivního teplоперenосu postupně klesá; v bodě přechodu náhle koeficient konvektivního teplоперenосu narůstá; po přechodu do turbulentní hraniční vrstvy, jak se lepkavá spodní vrstva postupně ztloustne, koeficient konvektivního teplоперenосu postupně klesá. Pro sugestní plochu může proudnicí oddělení v zadní části způsobit mírné zvýšení koeficientu konvektivního teplоперenосu.

Šokové chlazení

Chlazení impingement spočívá v použití jednoho nebo více chladných vzduchových proudů, které dopadají na horkou plochu, tím vytvářejí silný konvektivní přenos tepla v oblasti dopadu. Charakteristikou chlazení impingement je velmi vysoký koeficient přenosu tepla na stěnové ploše v oblasti zastavení, kde dopadá chladný vzduchový proud, takže tento způsob chlazení lze použít pro zaměřené chlazení povrchu.

Impingement chlazení vnitřní strany hrany turbine je omezené prostorové impingement chlazení a chladný vzduchový proud (jet) nemůže volně míchat se s okolním vzduchem. Následující část představuje impingement chlazení jednoduchého otvoru na rovinné cíli, což je základem pro studium dopadu impingement proudů a přenosu tepla.

Výtok z jednoduchého vertikálního otvoru dopadající na rovinné cílové plochy je znázorněn na obrázku výše. Roviná cílová plocha je dostatečně velká, nemá rotaci a na její povrch neúčinkuje žádná další přesouvající se tekutina. Když není vzdálenost mezi tryskou a cílovou plochou příliš malá, lze část výtoku z trysky považovat za volný proud, jinak řečeno jádro ( ⅰ ) a základní oblast ( ⅱ ) na obrázku. Když proud blíží k cílové ploše, začíná vnější hranice proudu měnit tvar z přímky na křivku a proud vstupuje do oblasti ohybu ( ⅲ ), též nazývané stagnační oblast. V stagnační oblasti dokončí proud přechod od toku kolmého na cílovou plochu k toku rovnoběžnému s cílovou plochou. Po dokončení 90 ° při rotaci vstupuje do zóny stěnového proudění (IV) další sekce. V zóně stěnového proudění tekutina proudí rovnoběžně s cílovou plochou a její vnější hranice zůstává přímou čarou. U stěny je extrémně tenká laminární hraniční vrstva. Proud nese velké množství chladného vzduchu a jeho příchodová rychlost je velmi vysoká. Turbulence v zóně zastavení je také velmi velká, proto je koeficient tepelného přenosu u impaktního chlazení velmi vysoký.

Konvektivní chlazení

（1）Radiální přímé chladičské kanály uvnitř lopatky

Chladicí vzduch proudí přímo skrz vnitřní dutinu vodicí lopatky v radiálním směru, absorbuje teplo prostřednictvím konvektivního přenosu tepla a snižuje teplotu těla lopatky. Nicméně, za podmínky určitého objemu chladícího vzduchu je koeficient konvektivního přenosu tepla této metody nízký a účinek chlazení je omezený.

(2) Několik chladičských kanálů uvnitř lopatky (návrh více dutin)

Vícekomorový design nejenže zvyšuje konvektivní koeficient vedení tepla mezi studeným vzduchem a vnitřní povrchem vějířového listu, ale také zvyšuje celkovou plochu výměny tepla, zvyšuje vnitřní proudění a dobu výměny tepla a má vysokou účinnost využití studeného vzduchu. Chlazení lze zlepšit rozumným rozdělením toku studeného vzduchu. Samozřejmě že vícekomorový design má i nevýhody. Kvůli dlouhé vzdálenosti cyklu chladicího vzduchu, malé ploše cyklu a mnoha otočkám vzduchu se zvýší proudnicí odpor. Tato komplexní struktura také zvyšuje obtížnost technologického zpracování a zvyšuje náklady.

（3）Žebrová struktura zvyšuje konvektivní přenos tepla a chlazení pomocí spoilerových sloupů

Každá žebra ve struktuře žeberek působí jako prvek rušící proudění, čímž způsobuje oddělení tekutiny od hraniční vrstvy a vytváří vírky s různou intenzitou a velikostí. Tyto vírky mění strukturu proudění tekutiny a proces přenosu tepla je významně zlepšen díky zvýšení turbulence tekutiny v blízkosti stěny a periodickému výměnu hmoty mezi velkými vírky a hlavním proudem.

Chlazení pomocí kolon žeberek spočívá v umístění více řad válcovitých žeberek uspořádaných určitým způsobem uvnitř vnitřního chladiče. Tyto válcovité žebry nejenže zvyšují plochu pro výměnu tepla, ale také zvyšují vzájemné míchání studeného vzduchu v různých oblastech kvůli rušení proudění, což může významně zvýšit účinek přenosu tepla.

Filmové chlazení

Chlazení vzduchovou plenkou spočívá v tom, že z děr nebo štěrbin na horké ploše vyfukujeme chladný vzduch a tím vytváříme vrstvu chladného vzduchového filmu na horké ploše, která blokuje ohřev pevné stěny horkým plynem. Protože chladný vzduchový film brání kontaktu mezi hlavním proudem vzduchu a pracovní plochou, dosahuje se tak účelu tepelné izolace a prevence koroze, proto některé publikace tento způsob chlazení nazývají i bariérovým chlazením.

Trysky pro plenkové chlazení jsou obvykle kulaté díry nebo řady kulatých děr, někdy jsou však vyrobeny jako dvourozměrné štěrbiny. V praktických chladičských konstrukcích je mezi tryskou a chlazenou plochou obvykle určitý úhel.

Velké množství studií o válcovitých otvorech v 90. letech ukázalo, že poměr foukání (poměr hustého proudu trysky ke hlavnímu proudu) významně ovlivní adiabatický efekt filmového chlazení jednoho řádu válcovitých otvorů. Poté, co proud chladného vzduchu vstoupí do oblasti hlavního proudu vysokoteplotných plynů, vznikne dvojice vířivých struktur s předním a opačným směrem rotace, také známá jako ledvinovitá vířivá dvojice. Když je rychlost foukání relativně vysoká, vytvoří se vedle předních vírů také protisměrné víry. Tyto protisměrné víry zachycují vysokoteplotné plyny z hlavního proudu a přenášejí je na zadní hranu lopatkového průchodu, čímž snižují efektivitu filmového chlazení.