Conceptos básicos de turbinas: tecnología de enfriamiento de turbinas y álabes

Estructura de turbina de flujo axial

Una turbina es una máquina de potencia rotatoria que convierte la entalpía de un fluido de trabajo en energía mecánica. Es uno de los componentes principales de los motores de aeronaves, turbinas de gas y turbinas de vapor. La conversión de energía entre turbinas y compresores y el flujo de aire es opuesta en su procedimiento. El compresor consume energía mecánica cuando está en funcionamiento, y el flujo de aire gana energía mecánica cuando fluye a través del compresor, y la presión y la entalpía aumentan. Cuando la turbina está en funcionamiento, el trabajo del eje se genera desde el eje de la turbina. Parte del trabajo del eje se utiliza para superar la fricción en los cojinetes y accionar los accesorios, y el resto es absorbido por el compresor.

En este artículo se analizan únicamente las turbinas de flujo axial. La turbina de un motor de turbina de gas suele estar compuesta por varias etapas, pero el estator (anillo de tobera o guía) se encuentra delante del impulsor giratorio. El canal de álabes de la etapa del elemento de la turbina es convergente y el gas a alta temperatura y alta presión de la cámara de combustión se expande y acelera en él, mientras que la turbina produce trabajo mecánico.

Características de transferencia de calor de la superficie exterior de las palas de turbina

El coeficiente de transferencia de calor convectivo entre el gas y la superficie de la pala se calcula utilizando la fórmula de enfriamiento de Newton.

En la superficie de presión y la superficie de succión, el coeficiente de transferencia de calor por convección es más alto en el borde delantero de la pala. A medida que la capa límite laminar se engrosa gradualmente, el coeficiente de transferencia de calor por convección disminuye gradualmente; en el punto de transición, el coeficiente de transferencia de calor por convección aumenta repentinamente; después de la transición a la capa límite turbulenta, a medida que la capa inferior viscosa se engrosa gradualmente, el coeficiente de transferencia de calor por convección disminuye gradualmente. En la superficie de succión, la separación del flujo que puede ocurrir en la sección trasera hará que el coeficiente de transferencia de calor por convección aumente ligeramente.

Enfriamiento por choque

El enfriamiento por impacto consiste en utilizar uno o más chorros de aire frío para impactar la superficie caliente, lo que genera una fuerte transferencia de calor por convección en el área de impacto. La característica del enfriamiento por impacto es que existe un alto coeficiente de transferencia de calor en la superficie de la pared del área de estancamiento donde impacta el flujo de aire frío, por lo que este método de enfriamiento se puede utilizar para aplicar un enfriamiento concentrado a la superficie.

El enfriamiento por impacto de la superficie interna del borde de ataque del álabe de la turbina es un enfriamiento por impacto de espacio limitado, y el chorro (flujo de aire frío) no puede mezclarse libremente con el aire circundante. A continuación, se presenta el enfriamiento por impacto de un objetivo plano de un solo orificio, que es la base para estudiar el impacto del flujo por impacto y la transferencia de calor.

En la figura anterior se muestra el flujo de un objetivo de impacto plano vertical de un solo orificio. El objetivo plano es lo suficientemente grande y no tiene rotación, y no hay otro fluido de flujo cruzado en la superficie. Cuando la distancia entre la boquilla y la superficie del objetivo no es muy cercana, una sección de la salida del chorro puede considerarse como un chorro libre, es decir, la sección central (ⅰ) y la sección base (Ⅱ) en la figura. Cuando el chorro se acerca a la superficie del objetivo, la línea límite exterior del chorro comienza a cambiar de una línea recta a una curva y el chorro ingresa a la zona de giro (ⅲ), también llamada zona de estancamiento. En la zona de estancamiento, el chorro completa la transición de un flujo perpendicular a la superficie objetivo a un flujo paralelo a la superficie objetivo. Después de que el chorro completa un giro de 90°° A su vez, entra en la zona de chorro de pared (IV) de la siguiente sección. En la zona de chorro de pared, el fluido fluye paralelo a la superficie objetivo y su límite exterior sigue siendo una línea recta. Cerca de la pared hay una capa límite laminar extremadamente delgada. El chorro transporta una gran cantidad de aire frío y la velocidad de llegada es muy alta. La turbulencia en la zona de estancamiento también es muy grande, por lo que el coeficiente de transferencia de calor del enfriamiento por impacto es muy alto.

Refrigeración por convección

（1）Canal de enfriamiento directo radial dentro de la cuchilla

El aire de refrigeración fluye directamente a través de la cavidad interna del álabe guía en dirección radial, absorbiendo calor mediante transferencia de calor por convección para reducir la temperatura del cuerpo del álabe. Sin embargo, bajo la condición de un cierto volumen de aire de refrigeración, el coeficiente de transferencia de calor por convección de este método es bajo y el efecto de refrigeración es limitado.

(2) Múltiples canales de enfriamiento dentro de la cuchilla (diseño de múltiples cavidades)

El diseño de múltiples cavidades no solo aumenta el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire frío y la superficie interior de la pala de la turbina, sino que también aumenta el área total de intercambio de calor, aumenta el flujo interno y el tiempo de intercambio de calor y tiene una alta tasa de utilización del aire frío. El efecto de enfriamiento se puede mejorar distribuyendo razonablemente el flujo de aire frío. Por supuesto, el diseño de múltiples cavidades también tiene desventajas. Debido a la larga distancia de circulación del aire de enfriamiento, el área de circulación pequeña y las múltiples vueltas del flujo de aire, la resistencia al flujo aumentará. Esta estructura compleja también aumenta la dificultad del procesamiento del proceso y hace que el costo sea más alto.

(3)La estructura de nervadura mejora la transferencia de calor por convección y el enfriamiento de la columna del alerón.

Cada costilla de la estructura actúa como un elemento de perturbación del flujo, lo que hace que el fluido se separe de la capa límite y forme vórtices con diferentes intensidades y tamaños. Estos vórtices cambian la estructura del flujo del fluido y el proceso de transferencia de calor se mejora significativamente a través del aumento de la turbulencia del fluido en el área cercana a la pared y el intercambio periódico de masa entre los grandes vórtices y la corriente principal.

La refrigeración por columna de alerón consiste en disponer de varias filas de nervaduras cilíndricas dispuestas de una determinada manera dentro del canal de refrigeración interior. Estas nervaduras cilíndricas no solo aumentan el área de intercambio de calor, sino que también aumentan la mezcla mutua de aire frío en diferentes áreas debido a la perturbación del flujo, lo que puede aumentar significativamente el efecto de transferencia de calor.

Enfriamiento de película

El enfriamiento por película de aire consiste en expulsar aire frío por los orificios o huecos de la superficie caliente y formar una capa de película de aire frío sobre la superficie caliente para bloquear el calentamiento de la pared sólida por el gas caliente. Dado que la película de aire frío bloquea el contacto entre el flujo de aire principal y la superficie de trabajo, logra el propósito de aislamiento térmico y prevención de corrosión, por lo que en algunos documentos también se denomina a este método de enfriamiento enfriamiento de barrera.

Las boquillas de refrigeración por película suelen ser orificios redondos o filas de orificios redondos y, a veces, están hechas de ranuras bidimensionales. En las estructuras de refrigeración reales, suele haber un cierto ángulo entre la boquilla y la superficie que se está enfriando.

Una gran cantidad de estudios sobre orificios cilíndricos en la década de 1990 mostraron que la relación de soplado (la relación entre el flujo denso del chorro y la corriente principal) afectará significativamente el efecto de enfriamiento de película adiabático de una sola fila de orificios cilíndricos. Después de que el chorro de aire frío ingresa al área de gas de alta temperatura de la corriente principal, formará un par de pares de vórtices giratorios hacia adelante y hacia atrás, también conocidos como un par de vórtices en forma de riñón. Cuando el aire que sopla es relativamente alto, además de los vórtices hacia adelante, el flujo de salida también formará vórtices contrarrotativos. Este vórtice inverso atrapará el gas de alta temperatura en la corriente principal y lo llevará al borde posterior del paso de la pala, reduciendo así el efecto de enfriamiento de película.