Turbinengrundlagen - Turbinen- und Rotorblattkühlungstechnologie Deutschland

Axialturbinenstruktur

Eine Turbine ist eine rotierende Kraftmaschine, die die Enthalpie eines Arbeitsfluids in mechanische Energie umwandelt. Sie ist eine der Hauptkomponenten von Flugzeugtriebwerken, Gasturbinen und Dampfturbinen. Die Energieumwandlung zwischen Turbinen und Kompressoren und Luftstrom erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Der Kompressor verbraucht mechanische Energie, wenn er läuft, und der Luftstrom gewinnt mechanische Energie, wenn er durch den Kompressor strömt, und Druck und Enthalpie steigen. Wenn die Turbine läuft, wird Wellenarbeit von der Turbinenwelle abgegeben. Ein Teil der Wellenarbeit wird verwendet, um die Reibung an den Lagern zu überwinden und die Zubehörteile anzutreiben, und der Rest wird vom Kompressor aufgenommen.

Hier werden nur Axialturbinen besprochen. Die Turbine in einem Gasturbinentriebwerk besteht normalerweise aus mehreren Stufen, aber der Stator (Düsenring oder Leitschaufel) befindet sich vor dem rotierenden Laufrad. Der Schaufelkanal der Turbinenelementstufe ist konvergent, und das Hochtemperatur- und Hochdruckgas aus der Brennkammer dehnt sich darin aus und beschleunigt sich, während die Turbine mechanische Arbeit abgibt.

Wärmeübertragungseigenschaften der Außenfläche einer Turbinenschaufel

Der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Gas und der Schaufeloberfläche wird mithilfe der Newtonschen Abkühlungsformel berechnet.

Bei der Druckfläche und der Saugfläche ist der konvektive Wärmeübergangskoeffizient an der Vorderkante der Schaufel am höchsten. Wenn die laminare Grenzschicht allmählich dicker wird, nimmt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient allmählich ab; am Übergangspunkt steigt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient plötzlich an; nach dem Übergang zur turbulenten Grenzschicht nimmt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient allmählich ab, wenn die viskose Bodenschicht allmählich dicker wird. Bei der Saugfläche führt die Strömungsablösung, die im hinteren Abschnitt auftreten kann, dazu, dass der konvektive Wärmeübergangskoeffizient leicht ansteigt.

Schockkühlung

Bei der Prallkühlung werden ein oder mehrere Kaltluftstrahlen auf die heiße Oberfläche gestrahlt, wodurch im Aufprallbereich eine starke Konvektionswärmeübertragung entsteht. Die Besonderheit der Prallkühlung besteht darin, dass an der Wandoberfläche des Stagnationsbereichs, auf den der Kaltluftstrom auftrifft, ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient vorliegt. Daher kann mit dieser Kühlmethode eine gezielte Kühlung der Oberfläche erreicht werden.

Die Prallkühlung der Innenfläche der Vorderkante der Turbinenschaufel ist eine Prallkühlung mit begrenztem Raum, und der Strahl (kalter Luftstrom) kann sich nicht frei mit der Umgebungsluft vermischen. Im Folgenden wird die Prallkühlung eines Einloch-Ebenenziels vorgestellt, die die Grundlage für die Untersuchung der Auswirkungen von Prallströmung und Wärmeübertragung bildet.

Der Fluss eines vertikalen Aufprallziels mit einem Loch ist in der obigen Abbildung dargestellt. Das ebene Ziel ist groß genug und hat keine Rotation, und es gibt keine andere Querströmungsflüssigkeit auf der Oberfläche. Wenn der Abstand zwischen der Düse und der Zieloberfläche nicht sehr gering ist, kann ein Abschnitt des Strahlauslasses als freier Strahl angesehen werden, nämlich der Kernabschnitt (ⅰ) und dem Basisabschnitt (Ⅱ) in der Abbildung. Wenn sich der Strahl der Zieloberfläche nähert, beginnt sich die äußere Begrenzungslinie des Strahls von einer geraden Linie in eine Kurve zu ändern, und der Strahl tritt in die Wendezone ein (Ⅲ), auch Stagnationszone genannt. In der Stagnationszone vollzieht der Strahl den Übergang von einer Strömung senkrecht zur Zieloberfläche zu einer Strömung parallel zur Zieloberfläche. Nachdem der Strahl eine 90° Dann gelangt es in die Wandstrahlzone (IV) des nächsten Abschnitts. In der Wandstrahlzone fließt das Fluid parallel zur Zieloberfläche und seine äußere Begrenzung bleibt eine gerade Linie. In der Nähe der Wand befindet sich eine extrem dünne laminare Grenzschicht. Der Strahl trägt eine große Menge kalter Luft mit sich und die Ankunftsgeschwindigkeit ist sehr hoch. Die Turbulenz in der Stagnationszone ist ebenfalls sehr groß, sodass der Wärmeübergangskoeffizient der Aufprallkühlung sehr hoch ist.

Konvektionskühlung

（1）Radialer Direktkühlkanal im Inneren der Schaufel

Die Kühlluft strömt radial direkt durch den inneren Hohlraum der Leitschaufel und absorbiert Wärme durch Konvektionswärmeübertragung, um die Temperatur des Schaufelkörpers zu senken. Unter der Bedingung eines bestimmten Kühlluftvolumens ist der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient dieser Methode jedoch niedrig und die Kühlwirkung begrenzt.

(2) Mehrere Kühlkanäle im Inneren der Schaufel (Multi-Cavity-Design)

Das Design mit mehreren Hohlräumen erhöht nicht nur den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der kalten Luft und der Innenfläche der Turbinenschaufel, sondern vergrößert auch die gesamte Wärmeaustauschfläche, erhöht den internen Durchfluss und die Wärmeaustauschzeit und weist eine hohe Kaltluftnutzungsrate auf. Die Kühlwirkung kann durch eine vernünftige Verteilung des Kaltluftstroms verbessert werden. Natürlich hat das Design mit mehreren Hohlräumen auch Nachteile. Aufgrund der langen Kühlluftzirkulationsstrecke, der kleinen Zirkulationsfläche und der mehreren Windungen des Luftstroms erhöht sich der Strömungswiderstand. Diese komplexe Struktur erhöht auch die Schwierigkeit der Prozessverarbeitung und erhöht die Kosten.

(3)Die Rippenstruktur verbessert die konvektive Wärmeübertragung und die Kühlung der Spoilersäule

Jede Rippe in der Rippenstruktur wirkt als Strömungsstörelement, das dazu führt, dass sich die Flüssigkeit von der Grenzschicht löst und Wirbel unterschiedlicher Stärke und Größe bildet. Diese Wirbel verändern die Strömungsstruktur der Flüssigkeit, und der Wärmeübertragungsprozess wird durch die Zunahme der Flüssigkeitsturbulenzen im wandnahen Bereich und den periodischen Massenaustausch zwischen den großen Wirbeln und der Hauptströmung deutlich verbessert.

Bei der Kühlung der Spoilersäule werden mehrere Reihen zylindrischer Rippen in einer bestimmten Weise im inneren Kühlkanal angeordnet. Diese zylindrischen Rippen vergrößern nicht nur die Wärmeaustauschfläche, sondern erhöhen durch die Strömungsstörung auch die gegenseitige Vermischung kalter Luft in verschiedenen Bereichen, was den Wärmeübertragungseffekt erheblich steigern kann.

Filmkühlung

Bei der Luftfilmkühlung wird kalte Luft aus den Löchern oder Spalten auf der heißen Oberfläche ausgeblasen und bildet auf der heißen Oberfläche eine Schicht aus kaltem Luftfilm, um die Erwärmung der festen Wand durch das heiße Gas zu blockieren. Da der kalte Luftfilm den Kontakt zwischen dem Hauptluftstrom und der Arbeitsfläche blockiert, wird der Zweck der Wärmeisolierung und Korrosionsverhütung erreicht. Daher wird diese Kühlmethode in einigen Veröffentlichungen auch als Barrierekühlung bezeichnet.

Die Düsen der Filmkühlung sind normalerweise runde Löcher oder Reihen runder Löcher, und manchmal sind sie als zweidimensionale Schlitze ausgeführt. In tatsächlichen Kühlstrukturen besteht normalerweise ein bestimmter Winkel zwischen der Düse und der zu kühlenden Oberfläche.

Zahlreiche Studien zu zylindrischen Löchern in den 1990er Jahren zeigten, dass das Blasverhältnis (das Verhältnis des dichten Strahlstroms zum Hauptstrom) den adiabatischen Filmkühlungseffekt einer einzelnen Reihe zylindrischer Löcher erheblich beeinflusst. Nachdem der Kaltluftstrahl in den Hauptstrombereich des Hochtemperaturgases gelangt ist, bildet er ein Paar vorwärts und rückwärts rotierender Wirbelpaare, auch als nierenförmiges Wirbelpaar bekannt. Wenn die Blasluft relativ hoch ist, bilden sich neben den Vorwärtswirbeln auch gegenläufige Wirbel. Dieser umgekehrte Wirbel fängt das Hochtemperaturgas im Hauptstrom ein und bringt es zur Hinterkante des Schaufeldurchgangs, wodurch der Filmkühlungseffekt verringert wird.