Turbine Basics - Turbine- og bladkølingsteknologi Danmark

Aksial flow turbine struktur

En turbine er en roterende kraftmaskine, der omdanner entalpien af ​​en arbejdsvæske til mekanisk energi. Det er en af ​​hovedkomponenterne i flymotorer, gasturbiner og dampturbiner. Energiomsætningen mellem turbiner og kompressorer og luftstrøm er modsat i proceduren. Kompressoren forbruger mekanisk energi, når den kører, og luftstrømmen vinder mekanisk energi, når den strømmer gennem kompressoren, og trykket og entalpien stiger. Når turbinen kører, udføres akselarbejde fra turbineakslen. En del af akselarbejdet bruges til at overvinde friktionen på lejerne og drive tilbehøret, og resten absorberes af kompressoren.

Kun aksialstrømsturbiner diskuteres her. Turbinen i en gasturbinemotor er normalt sammensat af flere trin, men statoren (dysering eller guide) er placeret foran det roterende pumpehjul. Vingekanalen i turbineelementstadiet er konvergent, og højtemperatur- og højtryksgassen fra forbrændingskammeret udvider sig og accelererer i den, mens turbinen udfører mekanisk arbejde.

Varmeoverførselskarakteristika for turbinebladenes ydre overflade

Den konvektive varmeoverførselskoefficient mellem gassen og vingeoverfladen beregnes ved hjælp af Newton-køleformlen.

For trykfladen og sugefladen er den konvektive varmeoverførselskoefficient den højeste ved bladets forkant. Efterhånden som det laminære grænselag gradvist fortykkes, falder den konvektive varmeoverførselskoefficient gradvist; ved overgangspunktet stiger den konvektive varmeoverførselskoefficient pludselig; efter overgangen til det turbulente grænselag, efterhånden som det tyktflydende bundlag gradvist fortykkes, falder den konvektive varmeoverførselskoefficient gradvist. For sugefladen vil den strømningsadskillelse, der kan opstå i bagsektionen, bevirke, at den konvektive varmeoverførselskoefficient stiger en smule.

Stødkøling

Impingementkøling er at bruge en eller flere kolde luftstråler til at påvirke den varme overflade og danne en stærk konvektionsvarmeoverførsel i stødområdet. Det karakteristiske ved impingementkøling er, at der er en høj varmeoverførselskoefficient på vægoverfladen af ​​stagnationsområdet, hvor den kolde luftstrøm rammer, så denne afkølingsmetode kan bruges til at anvende fokuseret køling på overfladen.

Påvirkningskølingen af ​​den indvendige overflade af forkanten af ​​turbinebladet er en begrænset rumpåvirkningskøling, og strålen (kold luftstrøm) kan ikke blandes frit med den omgivende luft. Det følgende introducerer impingement-afkølingen af ​​et enkelthuls planmål, som er grundlaget for at studere virkningen af ​​impingementflow og varmeoverførsel.

Strømningen af ​​et enkelthuls lodret anslagsplanmål er vist i figuren ovenfor. Planmålet er stort nok og har ingen rotation, og der er ingen anden krydsstrømsvæske på overfladen. Når afstanden mellem dysen og målfladen ikke er meget tæt, kan en del af stråleudløbet betragtes som en fri stråle, nemlig kernesektionen (ⅰ) og basissektionen (Ⅱ) på figuren. Når strålen nærmer sig måloverfladen, begynder strålens ydre grænselinje at ændre sig fra en lige linje til en kurve, og strålen går ind i vendezonen (ⅲ), også kaldet stagnationszonen. I stagnationszonen fuldender strålen overgangen fra en strømning vinkelret på måloverfladen til en strøm parallel med måloverfladen. Efter at jetflyet har fuldført en 90° drej, går den ind i vægstrålezonen (IV) i næste afsnit. I vægstrålezonen strømmer væsken parallelt med måloverfladen, og dens ydre grænse forbliver en lige linje. Nær væggen er et ekstremt tyndt laminært grænselag. Jetflyet transporterer en stor mængde kold luft, og ankomsthastigheden er meget høj. Turbulensen i stagnationszonen er også meget stor, så varmeoverførselskoefficienten for slagafkølingen er meget høj.

Konvektionskøling

（1） Radial direkte kølekanal inde i bladet

Køleluften strømmer direkte gennem ledeskovlens indre hulrum i radial retning og absorberer varme gennem konvektionsvarmeoverførsel for at reducere temperaturen på vingelegemet. Men under betingelsen af ​​et vist køleluftvolumen er konvektionsvarmeoverførselskoefficienten for denne metode lav, og køleeffekten er begrænset.

(2) Flere kølekanaler inde i bladet (design med flere hulrum)

Multi-kavitets design øger ikke kun den konvektiv varmeoverførselskoefficient mellem den kolde luft og den indvendige overflade af turbinebladet, men øger også det samlede varmeudvekslingsareal, øger det indre flow og varmeudvekslingstiden og har en høj kold luft udnyttelsesgrad. Køleeffekten kan forbedres ved rimeligt at fordele den kolde luftstrøm. Naturligvis har multi-kavitets design også ulemper. På grund af den lange køleluftcirkulationsafstand, lille cirkulationsareal og flere drejninger af luftstrømmen vil strømningsmodstanden stige. Denne komplekse struktur øger også vanskeligheden ved procesbehandling og gør omkostningerne højere.

(3)Ribstruktur forbedrer konvektiv varmeoverførsel og spoilersøjlekøling

Hver ribbe i ribbestrukturen fungerer som et strømningsforstyrrende element, hvilket får væsken til at løsne sig fra grænselaget og danne hvirvler med forskellige styrker og størrelser. Disse hvirvler ændrer væskens strømningsstruktur, og varmeoverførselsprocessen forbedres væsentligt gennem stigningen i væsketurbulens i nærvægsområdet og den periodiske masseudveksling mellem de store hvirvler og hovedstrømmen.

Spoilersøjlekøling er at have flere rækker af cylindriske ribber arrangeret på en bestemt måde inde i den indre kølekanal. Disse cylindriske ribber øger ikke kun varmevekslingsarealet, men øger også den gensidige blanding af kold luft i forskellige områder på grund af forstyrrelsen af ​​flowet, hvilket kan øge varmeoverførselseffekten markant.

Filmkøling

Luftfilmkøling er at blæse kold luft ud fra hullerne eller hullerne på den varme overflade og danne et lag af kold luftfilm på den varme overflade for at blokere opvarmningen af ​​den faste væg af den varme gas. Da koldluftfilmen blokerer for kontakten mellem hovedluftstrømmen og arbejdsfladen, opnår den formålet med varmeisolering og korrosionsforebyggelse, så noget litteratur kalder også denne kølemetode for barriereafkøling.

Dyserne til filmkøling er normalt runde huller eller rækker af runde huller, og nogle gange er de lavet til todimensionelle slidser. I egentlige kølekonstruktioner er der normalt en vis vinkel mellem dysen og den overflade, der afkøles.

Et stort antal undersøgelser af cylindriske huller i 1990'erne viste, at blæseforholdet (forholdet mellem den tætte strøm af strålen til hovedstrømmen) vil påvirke den adiabatiske filmkølende effekt af en enkelt række cylindriske huller væsentligt. Efter at den kolde luftstråle kommer ind i det almindelige højtemperaturgasområde, vil den danne et par fremadgående og omvendt roterende hvirvelpar, også kendt som et nyreformet hvirvelpar. Når indblæsningsluften er relativt høj, vil udstrømningen udover fremadgående hvirvler også danne modsat roterende hvirvler. Denne omvendte hvirvel vil fange højtemperaturgassen i hovedstrømmen og bringe den til den bageste kant af bladpassagen og derved reducere filmens køleeffekt.