Bases des turbines - Technologie de refroidissement des turbines et des lames

Structure de turbine à flux axial

Une turbine est une machine à puissance rotative qui convertit l'enthalpie d'un fluide de travail en énergie mécanique. C'est l'un des principaux composants des moteurs d'avion, des turbines à gaz et des turbines à vapeur. La conversion d'énergie entre les turbines et les compresseurs et le flux d'air est opposée en procédure. Le compresseur consomme de l'énergie mécanique lorsqu'il fonctionne, et le flux d'air gagne de l'énergie mécanique lorsqu'il traverse le compresseur, avec une augmentation de la pression et de l'enthalpie. Lorsque la turbine fonctionne, un travail est produit par l'arbre de la turbine. Une partie du travail de l'arbre est utilisée pour surmonter la friction sur les roulements et entraîner les accessoires, et le reste est absorbé par le compresseur.

Seules les turbines à écoulement axial sont discutées ici. La turbine dans un moteur à turbine à gaz est généralement composée de plusieurs étages, mais le stator (anneau de buse ou guide) est situé devant l'impeller en rotation. La canalisation des pales de l'étage de la turbine est convergente, et le gaz à haute température et haute pression issu de la chambre de combustion s'élargit et s'accélère dedans, tandis que la turbine produit un travail mécanique.

Caractéristiques de transfert de chaleur de la surface externe de la pale de turbine

Le coefficient de transfert de chaleur convectif entre le gaz et la surface de la pale est calculé à l'aide de la formule de refroidissement de Newton.

Pour les surfaces de pression et de succion, le coefficient de transfert de chaleur convectif est le plus élevé au bord d'attaque de la lame. Lorsque la couche limite laminaire s'épaissit progressivement, le coefficient de transfert de chaleur convectif diminue progressivement ; au point de transition, le coefficient de transfert de chaleur convectif augmente soudainement ; après la transition vers la couche limite turbulente, lorsque la couche visqueuse du fond s'épaissit progressivement, le coefficient de transfert de chaleur convectif diminue progressivement. Pour la surface de succion, la séparation d'écoulement qui peut se produire dans la section arrière provoquera une légère augmentation du coefficient de transfert de chaleur convectif.

Refroidissement par choc

Le refroidissement par impingement consiste à utiliser un ou plusieurs jets d'air froid pour frapper la surface chaude, formant un transfert de chaleur par convection intense dans la zone d'impact. La caractéristique du refroidissement par impingement est qu'il existe un coefficient de transfert de chaleur élevé sur la surface murale de la zone de stagnation où le flux d'air froid impacte, donc cette méthode de refroidissement peut être utilisée pour appliquer un refroidissement ciblé à la surface.

Le refroidissement par impingement de la surface interne de l'avant de la lame de turbine est un refroidissement par impingement dans un espace limité, et le jet (flux d'air froid) ne peut pas se mélanger librement avec l'air ambiant. Ci-dessous est introduit le refroidissement par impingement d'une cible plane à simple orifice, qui est la base pour étudier l'impact du flux d'impingement et du transfert de chaleur.

Le flux d'une cible plane à impact vertical avec un orifice unique est illustré dans la figure ci-dessus. La cible plane est suffisamment grande et n'a aucune rotation, et il n'y a aucun autre fluide en écoulement transversal sur sa surface. Lorsque la distance entre la buse et la surface de la cible n'est pas très proche, une section de l'écoulement sortant peut être considérée comme un jet libre, appelée section centrale ( je suis ) et section de base ( iI - Les produits ) dans la figure. Lorsque le jet s'approche de la surface cible, la ligne de contour extérieure du jet commence à changer d'une ligne droite à une courbe, et le jet entre dans la zone de déviation ( iII. Les produits ), également appelée zone de stagnation. Dans la zone de stagnation, le jet effectue la transition d'un écoulement perpendiculaire à la surface cible vers un écoulement parallèle à la surface cible. Après que le jet ait accompli un changement de 90 ° lorsqu'il tourne, il entre dans la zone de jet mural (IV) de la section suivante. Dans la zone de jet mural, le fluide s'écoule parallèlement à la surface cible, et sa limite extérieure reste une ligne droite. Près du mur se trouve une couche limite laminaire extrêmement fine. Le jet transporte une grande quantité d'air froid, et la vitesse d'arrivée est très élevée. La turbulence dans la zone de stagnation est également très importante, ce qui rend le coefficient de transfert de chaleur du refroidissement par impact très élevé.

Refroidissement par convection

（1）Canal de refroidissement radial direct à l'intérieur de la lame

L'air de refroidissement s'écoule directement à travers la cavité interne de la guide-vane dans la direction radiale, absorbant la chaleur par transfert de chaleur convectif pour réduire la température du corps de la lame. Cependant, sous réserve d'un certain volume d'air de refroidissement, le coefficient de transfert de chaleur convectif de cette méthode est faible et l'effet de refroidissement est limité.

(2) Plusieurs canaux de refroidissement à l'intérieur de la lame (conception multicavité)

Le design multicavité augmente non seulement le coefficient de transfert de chaleur convectif entre l'air froid et la surface interne de la lame de turbine, mais il augmente également la surface totale d'échange thermique, le temps d'échange de flux interne et de chaleur, avec un taux d'utilisation élevé de l'air froid. L'effet de refroidissement peut être amélioré en répartissant raisonnablement le flux d'air froid. Cependant, le design multicavité présente également des inconvénients. En raison de la longue distance de circulation de l'air de refroidissement, de la petite zone de circulation et des nombreux virages du flux d'air, la résistance au flux augmentera. Cette structure complexe augmente également la difficulté du traitement des procédés et rend les coûts plus élevés.

（3）La structure nervurée renforce le transfert de chaleur convectif et le refroidissement par colonnes de gicleurs

Chaque nervure dans la structure de nervures agit comme un élément de perturbation du flux, provoquant le détachement du fluide de la couche limite et la formation de vortex de différentes intensités et tailles. Ces vortex modifient la structure du flux du fluide, et le processus de transfert de chaleur est considérablement amélioré par l'augmentation de la turbulence du fluide dans la zone proche de la paroi et l'échange périodique de masse entre les grands vortex et le courant principal.

Le refroidissement par colonne de spoilers consiste à disposer plusieurs rangées de nervures cylindriques d'une certaine manière à l'intérieur du canal de refroidissement interne. Ces nervures cylindriques augmentent non seulement la surface d'échange thermique, mais aussi le mélange mutuel de l'air froid dans différentes zones en raison de la perturbation du flux, ce qui peut augmenter significativement l'effet de transfert de chaleur.

Refroidissement par film

Le refroidissement par film d'air consiste à souffler de l'air froid par les orifices ou interstices de la surface chaude pour former une couche de film d'air froid sur cette surface, bloquant ainsi le transfert de chaleur du gaz chaud vers la paroi solide. Comme le film d'air froid empêche le contact entre le flux principal et la surface de travail, il atteint l'objectif d'isolation thermique et de prévention de la corrosion, ce pourquoi certaines publications appellent également cette méthode de refroidissement 'refroidissement par barrière'.

Les buses du refroidissement par film sont généralement des trous ronds ou des rangées de trous ronds, et parfois elles sont fabriquées sous forme de fentes bidimensionnelles. Dans les structures de refroidissement réelles, il y a généralement un certain angle entre la buse et la surface refroidie.

Un grand nombre d'études sur les trous cylindriques dans les années 1990 ont montré que le rapport de soufflage (le rapport entre l'écoulement dense du jet et le flux principal) affectera significativement l'effet de refroidissement par film adiabatique d'une seule rangée de trous cylindriques. Après que le jet d'air froid pénètre dans la zone de gaz à haute température principale, il formera un couple de vortex tournant dans le sens direct et inverse, également appelé couple de vortex en forme de rein. Lorsque le débit de soufflage est relativement élevé, en plus des vortex directs, l'écoulement sortant formera également des vortex tournant dans le sens inverse. Ce vortex inverse piégera le gaz chaud du flux principal et le transportera vers l'arête arrière du passage de la pale, réduisant ainsi l'effet de refroidissement par film.