Conceptos básicos de la turbina - Tecnología de enfriamiento de turbina y pala

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 avión, turbinas de gas y turbinas de vapor. La conversión de energía entre turbinas y compresores y el flujo de aire es opuesta en el procedimiento. El compresor consume energía mecánica cuando está en funcionamiento, y el flujo de aire gana energía mecánica al pasar a través del compresor, aumentando la presión y la entalpía. Cuando la turbina está en funcionamiento, se produce trabajo en 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.

Aquí solo se discuten las turbinas de flujo axial. La turbina en un motor de turbina de gas generalmente está compuesta por múltiples etapas, pero el estator (anillo de boquillas o guía) se encuentra frente a la impeller rotativa. El canal de hojas de la etapa del elemento de la turbina es convergente, y el gas a alta temperatura y presión procedente 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 externa de la pala de la 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.

Para las superficies de presión y succión, el coeficiente de transferencia de calor convectivo es más alto en el borde de entrada de la hoja. A medida que la capa límite laminar se espesa gradualmente, el coeficiente de transferencia de calor convectivo disminuye gradualmente; en el punto de transición, el coeficiente de transferencia de calor convectivo aumenta repentinamente; después de la transición a la capa límite turbulenta, a medida que la capa viscosa inferior se espesa gradualmente, el coeficiente de transferencia de calor convectivo disminuye gradualmente. Para la superficie de succión, la separación de flujo que puede ocurrir en la parte trasera provocará un ligero aumento del coeficiente de transferencia de calor convectivo.

Enfriamiento por Choque

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

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

El flujo de un objetivo plano de impacto vertical de un solo agujero se muestra en la figura anterior. El objetivo plano es lo suficientemente grande y no tiene rotación, y no hay otro fluido de corriente cruzada en su superficie. Cuando la distancia entre la boquilla y la superficie del objetivo no es muy cercana, una sección de la salida de la 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 de contorno exterior del chorro comienza a cambiar de una línea recta a una curva, y el chorro entra en la zona de giro ( Ⅲ ), también llamada la zona de estancamiento. En la zona de estancamiento, el chorro completa la transición de un flujo perpendicular a la superficie del objetivo a un flujo paralelo a la superficie del objetivo. Después de que el chorro completa un ángulo de 90 ° Al girar, 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 frontera 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.

Enfriamiento por Convección

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

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

(2) Varios canales de enfriamiento dentro de la hoja (diseño multicámara)

El diseño multicámara no solo aumenta el coeficiente de transferencia de calor convectivo entre el aire frío y la superficie interna de la pala del turbina, sino que también incrementa 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 multicámara también tiene desventajas. Debido a la larga distancia de circulación del aire de enfriamiento, pequeña área de circulación y múltiples giros del flujo de aire, la resistencia al flujo aumentará. Esta estructura compleja también incrementa la dificultad del procesamiento y hace que el costo sea más alto.

（3）La estructura de nervaduras mejora la transferencia de calor convectivo y el enfriamiento por columna de spoilers

Cada nervadura en la estructura de nervaduras actúa como un elemento de perturbación del flujo, causando que el fluido se despegue de la capa límite y forme vórtices con diferentes intensidades y tamaños. Estos vórtices modifican la estructura de flujo del fluido, y el proceso de transferencia de calor se mejora significativamente mediante el aumento de la turbulencia del fluido en el área cercana a la pared y el intercambio periódico de masa entre los grandes vórtices y el flujo principal.

El enfriamiento por columna de spoilers consiste en tener múltiples filas de nervaduras cilíndricas dispuestas de una manera específica dentro del canal de enfriamiento interno. Estas nervaduras cilíndricas no solo aumentan el área de intercambio térmico, sino que también incrementan el mezclado mutuo del aire frío en diferentes áreas debido a la perturbación del flujo, lo cual puede aumentar significativamente el efecto de transferencia de calor.

Enfriamiento por película

El enfriamiento por película de aire consiste en expulsar aire frío a través de los orificios o huecos en la superficie caliente, formando una capa de aire frío sobre dicha superficie para bloquear el calentamiento de la pared sólida por parte del gas caliente. Dado que la película de aire frío impide el contacto entre el flujo principal de aire y la superficie de trabajo, se logra el propósito de aislamiento térmico y prevención de la corrosión; por lo tanto, algunas publicaciones también llaman a este método de enfriamiento enfriamiento por barrera.

Los boquillas del enfriamiento por película suelen ser orificios redondos o filas de orificios redondos, y a veces se fabrican en forma de ranuras bidimensionales. En las estructuras de enfriamiento reales, suele haber un ángulo determinado entre la boquilla y la superficie que se está enfriando.

Un gran número de estudios sobre agujeros cilíndricos en la década de 1990 mostraron que la relación de soplado (la relación entre el flujo denso del chorro y el flujo principal) afectará significativamente el efecto de enfriamiento por película adiabática de una sola fila de agujeros cilíndricos. Después de que el chorro de aire frío ingresa al área de gas caliente principal, se formará un par de vórtices de rotación directa e inversa, también conocido como un par de vórtices en forma de riñón. Cuando el aire de soplado es relativamente alto, además de los vórtices directos, el flujo hacia afuera también formará vórtices contrarrotativos. Este vórtice inverso atrapará el gas caliente en el flujo principal y lo llevará al borde trasero del paso de la hoja, reduciendo así el efecto de enfriamiento por película.