Osnove turbine - Tehnologija hlađenja turbine i lopatica

Struktura aksijskog toka turbine

Turbina je rotacijska moćna mašina koja pretvara entalpiju radne tekućine u mehaničku energiju. To je jedan od glavnih komponenti avionskih motora, plinskih turbine i parenih turbine. Postupak pretvorbe energije između turbine i kompresora i strujanja zraka je suprotan. Kompresor potroši mehaničku energiju tijekom rada, a strujanje zraka dobiva mehaničku energiju kada prolazi kroz kompresor, pri čemu se povećavaju tlak i entalpija. Tijekom rada turbine, rad na valječu se ispušta s valjače turbine. Dio tog rada koristi se za preodoljavanje trenja na ložima i vođenje pribora, dok ostatak biva upogojen od strane kompresora.

Ovdje se raspravljaju samo turbinate s aksijalnim točenjem. Turbina u motornom agregatu je obično sastavljena od više stupnjeva, ali je statorna čest (rezonator ili vodič) smještena ispred rotirajuće impelere. Kanal lopatica u elementarnom stupnju turbine je konvergentan, i visoko temperaturni i visoko tlakovi plinovi iz gorišne komore se proširuju i ubrzavaju u njemu, dok turbine izlazi mehanički rad.

Termoslovnim karakteristikama vanjske površine lopatica turbine

Konvektivni koeficijent toplinske proslijeđivanja između plina i površine lopatica računa se pomoću Newtonove formule hlađenja.

Za tlakovnu i sučionicu površinu, konvektivni koeficijent toplinske prenosa je najviši na vodećem rubu lopatica. Kako se laminarni međuplinski sloj postepeno deblji, konvektivni koeficijent toplinske prenosa se postepeno smanjuje; u prelomnoj točki, konvektivni koeficijent toplinske prenosa naglo raste; nakon prelaska na turbulentni međuplinski sloj, kako se lepljivi dno-sloj postepeno deblji, konvektivni koeficijent toplinske prenosa se postepeno smanjuje. Za sučionicu površinu, moguće odvajanje toka u zadnjem dijelu uzrokuje će malo povećati konvektivni koeficijent toplinske prenosa.

Hlađenje udarcem

Hlađenje udarom podrazumijeva upotrebu jedne ili više hladnih zrakoplovskih struja koje utiču na toplu površinu, stvarajući jak konvektivni prijenos topline u području udara. Karakteristika hlađenja udarom jest da postoji visok koeficijent prijenosa topline na zidnoj površini u području stagnacije gdje se hladan zrak sudari s površinom, pa se ovaj način hlađenja može koristiti za usmjereno hlađenje površine.

Hlađenje udarom unutarnje površine ruba lopatica turbine je ograničeno prostorno hlađenje udarom, a jets (hladan zrak) se ne može slobodno miješati s okolnim zrakom. Sljedeće se uvodi hlađenje udarom jednog-ružnog ravninskog cilja, što je temelj za proučavanje utjecaja toka udara i prijenosa topline.

Prikazan je točak s jednom ružom vertikalnog udarnog ravninskog cilja na slici iznad. Ravninski cilj je dovoljno velik i nema rotacije, a na površini nema drugih presečnih strujanja tekućine. Kada je razmak između šipke i površine cilja nije prilično blizu, dijelovi izlaza strujanja mogu se smatrati slobodnim strujanjem, odnosno jezgrinim dijelom ( ⅰ ) i baznim dijelom ( ⅱ ) na slici. Kada se strujanje približava površini cilja, vanjska granica strujanja počinje mijenjati oblik s ravne linije u krivulju, što znači da strujanje ulazi u okretasti područje ( ⅲ ), također poznato kao stagnacijsko područje. U stagnacijskom području, strujanje završava prijelaz iz strujanja okomitog na površinu cilja u strujanje paralelno površini cilja. Nakon što se strujanje završi za 90 ° kada se okretanje nastavi, ulazi se u zonu zidovskog jet strujanja (IV) sljedećeg odjeljka. U zoni zidovskog jet strujanja, tečnost teče paralelno s ciljnim površinom, a vanjska granica ostaje pravom linijom. Blizu zida nalazi se izuzetno tanka laminarna granilna sloj. Jet nosi veliku količinu hladnog zraka, a brzina dolaska je vrlo visoka. Turbulencija u zoni stajanja također je vrlo velika, pa je toplinsko prenosni koeficijent udarnog hlađenja vrlo visok.

Konvektivno hlađenje

(1) Radialni direktni hladbeni kanal unutar lopatica

Hladbeni zrak teče direktno kroz unutarnju šupljinu vodiljne lopatiće u radialnom smjeru, pri čemu absorbira topline putem konvektivnog toplinskog prenosa kako bi se smanjila temperatura tijela lopatiće. Međutim, uz uvjet određene količine hladnog zraka, konvektivni toplinski prenosni koeficijent ovog načina je nizak i efekat hlađenja ograničen.

(2) Višestruki hladbeni kanali unutar lopatiće (dizajn s više šupljina)

Višekamerni dizajn ne samo što povećava konvektivni koeficijent topline prenosa između hladnog zraka i unutarnje površine turbinovog lišća, već također povećava ukupnu površinu topline razmjene, povećava unutrašnji protok i vrijeme topline razmjene, te ima visoku učinkovitost korištenja hladnog zraka. Hlađenje se može poboljšati raspoštujući razumno distribuciju hladnog zraka. Naravno, višekamerni dizajn ima i nedostatke. Zbog dugačkog ciklusa cirkulacije hladnog zraka, male površine cirkulacije i više okreta zračnog protoka, otpor protoka će se povećati. Ova složena struktura također povećava težinu obrade i čini troškove višim.

（3）Rebrovita struktura poboljšava konvektivni prijenos topline i spoiler stupčasti hlađenje

Svaki žar u strukturi žara djeluje kao element za perturbaciju toka, što uzrokuje da tečnost odlasi od međusloja i formira vrtlože različite snažnosti i veličine. Ova vrtložna struktura promijeni strukturu toka tečnosti, a proces prenosa topline značajno se poboljša povećanjem turbulentnosti tečnosti u blizu zida i periodičnim maseovim razmjene između velikih vrtložnih struktura i glavnog toka.

Hlađenje spoiler stupcem je postavljeno tako da ima više redaka cilindričnih žara raspoređenih na određeni način unutar unutarnjeg hlađenog kanala. Ti cilindrični žari ne samo što povećavaju površinu za tropski zamjenu topline, već također povećavaju međusobno miješanje hladnog zraka iz različitih područja zbog perturbacije toka, što može značajno poboljšati efektnost prenosa topline.

Film Cooling

Hlađenje zrakom s filma podrazumijeva ispuštanje hladnog zraka iz rupe ili prasina na vrućem površinu i formiranje sloja hladnog zraka na vrućoj površini kako bi se sprečilo zagrijavanje čvrste zida od strane vrućeg plina. Budući da sloj hladnog zraka sprečava kontakt između glavnog zračnog toka i radne površine, postiže se cilj termičke izolacije i sprečavanja korozije, pa neki autori ovaj način hlađenja nazivaju i barjernim hlađenjem.

Pice hlađenja filmom obično su zaobljeni otvorili ili redovi zaobljenih otvora, a ponekad su napravljeni u obliku dvodimenzijskih šuplji. U stvarnim hlađenim konstrukcijama, između pica i površine koja se hladí obično postoji određeni kut.

Veliki broj studija o valjkastim rupama u 1990-ima je pokazao da će odnos pušenja (odnos gustog toka jetsa na glavni tok) značajno utjecati na adijabatski učinak filmskog hlađenja jednog reda valjkastih rupa. Nakon što se jets hladnog zraka uključi u glavni područje visoko temperature plinova, formiraće par vrtloga s naprijed i natrag rotacijom, također poznat kao bubrežasti par vrtloga. Kada je intenzitet pušenja relativno visok, osim naprijed idućih vrtloga, izlaz će također formirati vrtloge suprotnog smjera. Ovi suprotni vrtlozi će zakukati visoko temperaturne plinove iz glavnog toka i donijeti ih do zadnjeg ruba lopaticnog prolaza, time smanjujući učinak filmskog hlađenja.