Základy turbíny - Technologie chlazení turbín a lopatek Česká republika

Konstrukce axiální turbíny

Turbína je rotační stroj, který přeměňuje entalpii pracovní tekutiny na mechanickou energii. Je jednou z hlavních součástí leteckých motorů, plynových turbín a parních turbín. Přeměna energie mezi turbínami a kompresory a proudění vzduchu je v postupu opačné. Kompresor při svém chodu spotřebovává mechanickou energii a proud vzduchu získává mechanickou energii, když proudí kompresorem a zvyšuje se tlak a entalpie. Když turbína běží, práce na hřídeli je odváděna z hřídele turbíny. Část práce na hřídeli slouží k překonání tření na ložiskách a pohonu příslušenství a zbytek je absorbován kompresorem.

Zde jsou diskutovány pouze axiální turbíny. Turbína v motoru s plynovou turbínou je obvykle složena z více stupňů, ale stator (prstenec trysky nebo vedení) je umístěn před rotujícím oběžným kolem. Lopatkový kanál stupně turbínového prvku je konvergentní a vysokoteplotní a vysokotlaký plyn ze spalovací komory v něm expanduje a urychluje se, zatímco turbína odvádí mechanickou práci.

Charakteristiky přenosu tepla vnějšího povrchu turbínové lopatky

Koeficient přenosu tepla prouděním mezi plynem a povrchem lopatky se vypočítá pomocí Newtonova chladicího vzorce.

U přítlačné a sací plochy je součinitel prostupu tepla konvekcí nejvyšší na náběžné hraně lopatky. Jak laminární mezní vrstva postupně houstne, součinitel prostupu tepla konvekcí postupně klesá; v bodě přechodu se náhle zvýší součinitel prostupu tepla konvekcí; po přechodu do turbulentní mezní vrstvy, jak postupně houstne viskózní spodní vrstva, součinitel prostupu tepla konvekcí postupně klesá. U sací plochy způsobí oddělování proudění, ke kterému může dojít v zadní části, mírné zvýšení koeficientu prostupu tepla konvekcí.

Šokové chlazení

Nárazové chlazení spočívá v použití jednoho nebo více proudů studeného vzduchu k dopadu na horký povrch, čímž se v oblasti nárazu vytvoří silný přenos tepla prouděním. Charakteristickým rysem nárazového chlazení je to, že na povrchu stěny stagnační oblasti, kde dopadá proud studeného vzduchu, je vysoký koeficient přestupu tepla, takže tento způsob chlazení lze použít k aplikaci soustředěného chlazení na povrch.

Nárazové chlazení vnitřního povrchu náběžné hrany turbínové lopatky je omezeným prostorovým nárazovým chlazením a proud (proud studeného vzduchu) se nemůže volně mísit s okolním vzduchem. Dále je představeno dopadové chlazení rovinného terče s jedním otvorem, které je základem pro studium vlivu dopadového proudění a přenosu tepla.

Proud jednootvorového vertikálního terče dopadové roviny je znázorněn na obrázku výše. Rovinný terč je dostatečně velký a nemá žádnou rotaci a na povrchu není žádná jiná tekutina s příčným prouděním. Pokud vzdálenost mezi tryskou a cílovým povrchem není příliš blízká, může být část výstupu paprsku považována za volný paprsek, konkrétně část jádra (Ⅰ) a základní část (Ⅱ) na obrázku. Když se proud přiblíží k cílovému povrchu, vnější hraniční linie proudu se začne měnit z přímky na křivku a proud vstoupí do zóny otáčení (Ⅲ), nazývané také zóna stagnace. Ve stagnační zóně proud dokončuje přechod z proudění kolmého k cílovému povrchu k proudění rovnoběžnému s cílovým povrchem. Poté, co tryskáč dokončí 90° zatáčkou, vstoupí do zóny stěnového proudu (IV) další sekce. V zóně paprsku stěny proudí tekutina rovnoběžně s cílovým povrchem a její vnější hranice zůstává přímka. V blízkosti stěny je extrémně tenká laminární mezní vrstva. Tryska nese velké množství studeného vzduchu a rychlost příletu je velmi vysoká. Turbulence ve stagnační zóně je také velmi velká, takže koeficient přestupu tepla nárazového chlazení je velmi vysoký.

Konvekční chlazení

(1) Radiální přímý chladicí kanál uvnitř čepele

Chladicí vzduch proudí přímo vnitřní dutinou vodicí lopatky v radiálním směru a absorbuje teplo konvekčním přenosem tepla, aby se snížila teplota těla lopatky. Při určitém objemu chladicího vzduchu je však součinitel přestupu tepla prouděním u této metody nízký a chladicí účinek je omezený.

(2) Více chladicích kanálů uvnitř čepele (provedení s více dutinami)

Vícedutinová konstrukce nejen zvyšuje koeficient konvekčního přenosu tepla mezi studeným vzduchem a vnitřním povrchem lopatky turbíny, ale také zvyšuje celkovou plochu výměny tepla, zvyšuje vnitřní proudění a dobu výměny tepla a má vysoký studený vzduch. míra využití. Chladicí účinek lze zlepšit přiměřeným rozložením proudu studeného vzduchu. Vícedutinové provedení má samozřejmě i nevýhody. Vzhledem k dlouhé vzdálenosti cirkulace chladicího vzduchu, malé cirkulační ploše a vícenásobným otáčkám proudu vzduchu se odpor proudění zvýší. Tato složitá struktura také zvyšuje obtížnost zpracování procesu a zvyšuje náklady.

(3)Žebrová struktura zlepšuje konvekční přenos tepla a chlazení sloupku spoileru

Každé žebro ve struktuře žeber působí jako prvek narušující proudění, což způsobuje, že se tekutina odděluje od mezní vrstvy a vytváří víry s různou silou a velikostí. Tyto víry mění strukturu proudění tekutiny a proces přenosu tepla je významně posílen zvýšením turbulence tekutiny v oblasti blízké stěny a periodickou výměnou hmoty mezi velkými víry a hlavním proudem.

Chlazení sloupu spoileru má mít několik řad válcových žeber uspořádaných určitým způsobem uvnitř vnitřního chladicího kanálu. Tato válcová žebra nejen zvětšují teplosměnnou plochu, ale také zvyšují vzájemné promíchávání studeného vzduchu v různých oblastech vlivem narušení proudění, což může Výrazně zvýšit efekt přenosu tepla.

Chlazení filmu

Chlazení vzduchovým filmem je vyfukování studeného vzduchu z otvorů nebo mezer na horkém povrchu a vytváření vrstvy studeného vzduchového filmu na horkém povrchu, který blokuje ohřev pevné stěny horkým plynem. Vzhledem k tomu, že film studeného vzduchu blokuje kontakt mezi hlavním proudem vzduchu a pracovní plochou, dosahuje účelu tepelné izolace a prevence proti korozi, takže některá literatura také nazývá tento způsob chlazení bariérovým chlazením.

Trysky filmového chlazení jsou obvykle kruhové otvory nebo řady kruhových otvorů a někdy jsou vyrobeny do dvourozměrných štěrbin. Ve skutečných chladicích strukturách je obvykle určitý úhel mezi tryskou a chlazeným povrchem.

Velké množství studií o válcových otvorech v 1990. letech minulého století ukázalo, že poměr vyfukování (poměr hustého proudění trysky k hlavnímu proudu) významně ovlivní efekt chlazení adiabatického filmu jedné řady válcových otvorů. Poté, co proud studeného vzduchu vstoupí do oblasti hlavního proudu vysokoteplotního plynu, vytvoří pár dopředně a zpětně rotujících vírových párů, také známý jako ledvinovitý vírový pár. Když je vyfukovaný vzduch relativně vysoký, kromě dopředných vírů bude výstup tvořit také protiběžné víry. Tento zpětný vír zachytí plyn o vysoké teplotě v hlavním proudu a přivede ho k zadní hraně lopatkového kanálu, čímž se sníží efekt chlazení filmu.