Turbiini põhitõed – turbiini ja labade jahutustehnoloogia

Aksiaalse voolu turbiini struktuur

Turbiin on pöörlev jõumasin, mis muudab töövedeliku entalpia mehaaniliseks energiaks. See on üks lennukimootorite, gaasiturbiinide ja auruturbiinide põhikomponente. Energia muundamine turbiinide ja kompressorite ning õhuvoolu vahel on protsessis vastupidine. Kompressor tarbib töötamise ajal mehaanilist energiat ning õhuvool saab kompressorit läbides juurde mehaanilist energiat ning rõhk ja entalpia suurenevad. Kui turbiin töötab, väljub võlli töö turbiini võllilt. Osa võllitööst kulub laagrite hõõrdumise ületamiseks ja lisaseadmete käitamiseks ning ülejäänu neelab kompressor.

Siin käsitletakse ainult aksiaalvoolu turbiine. Gaasiturbiinmootori turbiin koosneb tavaliselt mitmest astmest, kuid staator (düüsirõngas või juhik) asub pöörleva tiiviku ees. Turbiinielemendi astme labakanal on konvergentne ning põlemiskambrist väljuv kõrgtemperatuurne ja kõrgsurvegaas paisub ja kiireneb selles, samas kui turbiin annab mehaanilist tööd.

Turbiini laba välispinna soojusülekande omadused

Gaasi ja laba pinna vaheline konvektiivne soojusülekandetegur arvutatakse Newtoni jahutusvalemi abil.

Survepinna ja imemispinna puhul on konvektiivse soojusülekande koefitsient kõrgeim tera esiservas. Laminaarse piirkihi järkjärgulise paksenemisel konvektiivse soojusülekande koefitsient järk-järgult väheneb; üleminekupunktis suureneb järsult konvektiivne soojusülekandetegur; pärast üleminekut turbulentsele piirkihile, kui viskoosne alumine kiht järk-järgult pakseneb, konvektiivne soojusülekandetegur järk-järgult väheneb. Imemispinna puhul põhjustab tagaosas tekkida võiv voolu eraldumine konvektiivse soojusülekandeteguri veidi suurenemist.

Šokkjahutus

Kokkupõrkejahutus on ühe või mitme külma õhujoa kasutamine kuuma pinna löömiseks, moodustades löögipiirkonnas tugeva konvektsiooniga soojusülekande. Kokkupõrkjahutuse tunnuseks on kõrge soojusülekandetegur seisva piirkonna seinapinnal, kuhu külma õhuvool mõjub, mistõttu saab seda jahutusmeetodit kasutada pinnale fokuseeritud jahutuse rakendamiseks.

Turbiini laba esiserva sisepinna põrkjahutus on piiratud ruumiga põrkjahutus ja juga (külma õhuvool) ei saa ümbritseva õhuga vabalt seguneda. Järgnevalt tutvustatakse ühe auguga tasapinnalise sihtmärgi pealelöögijahutust, mis on aluseks põrkava voolu ja soojusülekande mõju uurimisel.

Ühe auguga vertikaalse löögitasandi sihtmärgi vool on näidatud ülaltoodud joonisel. Tasapinnaline sihtmärk on piisavalt suur ja sellel pole pöörlemist ning pinnal pole muud ristvooluvedelikku. Kui düüsi ja sihtpinna vaheline kaugus ei ole väga väike, võib joa väljalaskeava osa pidada vabaks joaks, nimelt südamiku osa (ⅰ) ja põhiosa (ⅱ) joonisel. Kui joa läheneb sihtpinnale, hakkab joa välimine piirjoon muutuma sirgest kõveraks ja joa siseneb pöördetsooni (Ⅲ), mida nimetatakse ka stagnatsioonitsooniks. Seiskumistsoonis lõpetab juga ülemineku sihtpinnaga risti olevalt voolult sihtpinnaga paralleelsele voolule. Pärast seda, kui reaktiivlennuk on saavutanud 90° pöörake, siseneb see järgmise sektsiooni seinajoa tsooni (IV). Seinajoa tsoonis voolab vedelik paralleelselt sihtpinnaga ja selle välispiir jääb sirgjooneks. Seina lähedal on üliõhuke laminaarne piirdekiht. Jet kannab suures koguses külma õhku ja saabumiskiirus on väga suur. Samuti on turbulents paigalseisu tsoonis väga suur, mistõttu on löökjahutuse soojusülekandetegur väga kõrge.

Konvektsioonjahutus

(1) Tera sees olev radiaalne otsejahutuskanal

Jahutusõhk voolab otse läbi juhtlaba sisemise õõnsuse radiaalsuunas, neelates soojust konvektsioonisoojusülekande kaudu, et vähendada tera korpuse temperatuuri. Teatud jahutusõhuhulga tingimustes on selle meetodi konvektsiooni soojusülekandetegur aga madal ja jahutusefekt piiratud.

(2) Tera sees on mitu jahutuskanalit (mitme õõnsusega disain)

Mitme õõnsusega konstruktsioon mitte ainult ei suurenda konvektiivset soojusülekandetegurit külma õhu ja turbiini laba sisepinna vahel, vaid suurendab ka kogu soojusvahetusala, suurendab sisevoolu ja soojusvahetuse aega ning sellel on kõrge külm õhk. kasutusmäär. Jahutusefekti saab parandada külma õhuvoolu mõistliku jaotusega. Loomulikult on mitme õõnsusega disainil ka puudusi. Tänu pikale jahutusõhu tsirkulatsioonikaugusele, väikesele tsirkulatsioonialale ja õhuvoolu mitmekordsele pöördele suureneb voolutakistus. See keerukas struktuur muudab ka protsesside töötlemise keerulisemaks ja suurendab kulusid.

(3)Ribi struktuur suurendab konvektiivset soojusülekannet ja spoileri kolonni jahutamist

Iga ribi ribi struktuuris toimib voolu häiriva elemendina, põhjustades vedeliku eraldumise piirkihist ja moodustades erineva tugevuse ja suurusega keerised. Need keerised muudavad vedeliku voolustruktuuri ja soojusülekande protsess paraneb oluliselt vedeliku turbulentsi suurenemise tõttu seinalähedases piirkonnas ning perioodilise massivahetuse kaudu suurte keeriste ja peavoolu vahel.

Spoileri kolonni jahutus peab sisaldama mitut rida silindrilisi ribisid, mis on paigutatud teatud viisil sisemise jahutuskanali sisse. Need silindrilised ribid mitte ainult ei suurenda soojusvahetusala, vaid suurendavad ka külma õhu vastastikust segunemist erinevates piirkondades vooluhäirete tõttu, mis võib oluliselt suurendada soojusülekande efekti.

Filmi jahutamine

Õhkkilega jahutamine on külma õhu väljapuhumine kuuma pinna aukudest või piludest ja kuumale pinnale külma õhukile kihi moodustamine, et blokeerida tahke seina kuumenemine kuuma gaasi poolt. Kuna külma õhu kile blokeerib kontakti peamise õhuvoolu ja tööpinna vahel, saavutab see soojusisolatsiooni ja korrosiooni vältimise eesmärgi, mistõttu mõnes kirjanduses nimetatakse seda jahutusmeetodit ka barjäärjahutuseks.

Kilejahutuse otsikud on tavaliselt ümmargused augud või ümmarguste aukude read ja mõnikord tehakse neist kahemõõtmelised pilud. Tegelike jahutusstruktuuride puhul on tavaliselt düüsi ja jahutatava pinna vahel teatud nurk.

Suur hulk silindriliste aukude uuringuid 1990. aastatel näitas, et puhumissuhe (joa tiheda voolu ja peavoolu suhe) mõjutab oluliselt ühe silindriliste aukude rea adiabaatilise kile jahutavat toimet. Pärast seda, kui külma õhu juga siseneb põhivoolu kõrge temperatuuriga gaasipiirkonda, moodustab see paari edasi- ja tagasipöörleva keerise paari, mida tuntakse ka neerukujulise keerise paarina. Kui puhumisõhk on suhteliselt kõrge, moodustub väljavool lisaks ettepoole suunatud keeristele ka vastupidiselt pöörlevaid keeriseid. See pöördpööris püüab kõrge temperatuuriga gaasi peavoolus kinni ja viib selle laba läbipääsu tagaserva, vähendades seeläbi kile jahutusefekti.