Turbiner - Turbiner og blades køleteknologi

Struktur af axialstrømningsturbine

En turbine er en rotationskraftmaskine, der omformer entalpien af et arbejdsmedium til mekanisk energi. Den er en af de hovedkomponenter i flymotorer, gasturbiner og dampturbiner. Energiomspillingen mellem turbiner og kompressorer og luftstrømmen sker modsat i proceduren. Kompressoren forbruger mekanisk energi under drift, og luftstrømmen får mekanisk energi, når den strømmer gennem kompressoren, og trykket og entalpien stiger. Når turbinen kører, afgives aksearbejde fra turbinaksen. Et del af aksearbejdet bruges til at overvinde friktionen på lagerne og drive tilbehør, og resten absorberes af kompressoren.

Kun akserale strømningsvindturbiner behandles her. Vinduet i en gas turbine er normalt sammensat af flere trin, men statoren (stødstruktur eller guide) ligger foran den rotterende pande. Bladkanalen af turbinetrins-elementet er konvergent, og det højtemperatur- og højtryksgas fra forbreningskammeret udvider og accelererer i denne, mens turbinen afgiver mekanisk arbejde.

Varmeoverførslesegenskaber for yderfladen af turbinbladet

Den konvektive varmeoverførselskoefficient mellem gas og bladeoverflade beregnes ved hjælp af Newtons køleformel.

For trykoverfladen og sugningsoverfladen er den konvektive varmeoverførselskoefficient højest ved bladets føring. Når den laminære grænselags gradvist tynder ud, aftager den konvektive varmeoverførselskoefficient gradvist; ved overgangspunktet øges den konvektive varmeoverførselskoefficient pludselig; efter overgangen til det turbulent grænselags, som den viskøse bundlags gradvist tynder ud, aftager den konvektive varmeoverførselskoefficient gradvist. For sugningsoverfladen vil eventuelle strømninger, der kan ske i bagsektionen, forårsage en lille stigning i den konvektive varmeoverførselskoefficient.

Schock køling

Impingement-kyling indebærer at bruge en eller flere kolde luftstrømninger til at ramme den varme overflade, hvilket dannemande en stærk konvektionsvarmetransport i ramningsområdet. Karakteristisk for impingement-kyling er, at der er en høj varmetransferkoefficient på væggenes overflade i stagnationsområdet, hvor den kolde luftstrøm rammer. Derfor kan denne kølemetode bruges til at gennemføre fokuseret køling af overfladen.

Impingement-kylingen af den indre overflade af turbinbladets førende kant er en begrænset rumlig impingement-kyling, og strålen (den kolde luftstrøm) kan ikke blandes frit med omkringliggende luft. Følgende introducerer impingement-kylingen af et enkelt-hul plan mål, som er grundlaget for at undersøge indvirkningen af impingement-strøm og varmetransport.

Strømmen af en enkeltårig lodret impaktpunktsmål vises i figuren ovenfor. Planmålet er større nok og har ingen rotation, og der er ingen anden tværflydende væske på overfladen. Når afstanden mellem dungen og måloverfladen ikke er meget tæt, kan en sektion af stråleuddagingen betragtes som en fri stråle, nemlig kernen ( ⅰ ) og basisectionen ( ⅱ ) i figuren. Når strålen nærmer sig måloverfladen, begynder den ydre grænselinje af strålen at skifte fra en ret linje til en kurve, og strålen går ind i vendezonen ( ⅲ ), også kendt som stagnationszonen. I stagnationszonen fuldfører strålen overgangen fra en strøm, der står vinkelret på måloverfladen, til en strøm, der er parallel med måloverfladen. Efter at strålen har fuldført en 90 ° når det drejer, indgår det i væggens strålezone (IV) af den næste sektion. I væggens strålezone flyder væsken parallel med målsiden, og dens ydre grænse forbliver en lige linje. Tæt på væggen er der en ekstremt tynd laminær grænseflade. Strålen bærer en stor mængde kold luft, og ankomstfarten er meget høj. Turbulencen i stagnationszonen er også meget stor, således at varmeoverførselskoefficienten for impaktkøling er meget høj.

Konvektionskøling

(1) Radial direkte kølekanal indeni bladet

Køleluften flyder direkte gennem den indre hullighed af styringsfinneren i radial retning, hvilket absorberer varme gennem konvektionsvarmeoverførsel for at reducere temperaturussen af bladkroppen. Dog, under betingelsen af en bestemt kølelydmængde, er konvektionsvarmeoverførselskoefficienten for denne metode lav, og køleffekten er begrænset.

(2) Flere kølekanaler indeni bladet (multikammerdesign)

Flertyndesignet øger ikke kun konvektionsvarmeoverførselskoefficienten mellem kulden luft og den indre overflade af turbinebladet, men øger også den totale varmeanlægsareal, forøger den interne strømning og varmeanlægstid, og har en høj udnyttelse af kulden luft. Køleffekten kan forbedres ved at fordele kulden luftstrøm på en rimelig måde. Selvfølgelig har flertyndesignet også nogle ulemper. På grund af den lange køleværscirkulationsafstand, den lille cirkulationsareal og de mange vendinger i luftstrømmen vil strømningsmodstanden øge. Denne komplekse struktur øger også processbehandlings vanskeligheden og gør omkostningerne højere.

（3）Ribbestrukturen forstærker konvektionsvarmeoverførslen og spoiler kolonnekjøling

Hver rib i ribstrukturen fungerer som et strømforstyrrelseselement, hvilket forårsager, at væsken løsrækker sig fra grænselagsstrukturen og dannes vorticer med forskellige styrker og størrelser. Disse vorticer ændrer strukturen af væskens strømning, og varmeoverførselsprocessen forbedres betydeligt gennem øget væskeustabilitet nær væggen og den periodiske masseudveksling mellem de store vorticer og hovedstrømmen.

Spoilerkolonneafkøling består i at have flere rækker af cylindriske ribber arrangeret på en bestemt måde inde i den indre afkølingskanal. Disse cylindriske ribber øger ikke kun varmeoverføringsarealet, men forøger også den gensidige blanding af kulden luft i forskellige områder på grund af strømningen forstyrrelse, hvilket kan forøge varmeoverførslen betydeligt.

Film Afkøling

Luftfilmkjøling er at blæse kulde luft ud gennem hulrene eller luft mellem de varme overflader og danner en lag af kulde luftfilm på den varme overflade for at blokere opvarmningen af den faste væg af den varme gas. Da kulde luftfilm blokerer kontakten mellem hovedluftstrømmen og arbejdsfladen, opnår det formålet med isolering og korrosionsforebyggelse, så nogle publikationer kalder denne kølemetode også barrierekjøling.

Filmkjølingspistolerne er normalt runde huller eller rækker af runde huller, og nogle gange laves de til to-dimensionale lodrette sprækker. I faktiske kølestrukturer er der normalt en bestemt vinkel mellem pistolen og den kølede overflade.

Et stort antal studier om cylindriske huller i 1990'erne viste, at blæsforholdet (forholdet mellem den tætte strømning af strålet og hovedstrømmen) vil påvirke adiabatiske filmkjøleffekten betydeligt for en enkelt række med cylindriske huller. Når det kolde luftstrålet trænger ind i hovedstrømmens højtemperaturgasområde, vil det danne et par med fremad- og bagudroterende vortexpar, også kendt som nyrervortexpar. Når blæsningen er relativt høj, vil udstrømmelsen foruden fremadvortex også danne bagudroterende vortex. Denne bagudvortex fanger højtemperaturgassen fra hovedstrømmen og bringer den til bladpassagen bagved, hvilket reducerer filmkjøleffekten.