Osnove turbina - Tehnologija hlađenja turbina i lopatica Hrvatska

Struktura turbine s aksijalnim protokom

Turbina je rotacijski pogonski stroj koji entalpiju radnog fluida pretvara u mehaničku energiju. Jedna je od glavnih komponenti zrakoplovnih motora, plinskih turbina i parnih turbina. Pretvorba energije između turbina i kompresora te strujanja zraka suprotna je postupkom. Kompresor dok radi troši mehaničku energiju, a strujanje zraka dobiva mehaničku energiju kada teče kroz kompresor, a tlak i entalpija rastu. Kada turbina radi, rad osovine izlazi iz turbinske osovine. Dio rada vratila koristi se za svladavanje trenja na ležajevima i pogon pribora, a ostatak apsorbira kompresor.

Ovdje se raspravlja samo o turbinama s aksijalnim protokom. Turbina u plinskoturbinskom motoru obično se sastoji od više stupnjeva, ali se stator (prsten mlaznice ili vodilica) nalazi ispred rotirajućeg rotora. Kanal lopatica stupnja turbinskog elementa je konvergentan iu njemu se visokotemperaturni i visokotlačni plin iz komore za izgaranje širi i ubrzava, dok turbina vrši mehanički rad.

Karakteristike prijenosa topline vanjske površine lopatica turbine

Koeficijent konvektivnog prijenosa topline između plina i površine lopatice izračunava se pomoću Newtonove formule za hlađenje.

Za tlačnu i usisnu površinu, konvekcijski koeficijent prijenosa topline najveći je na vodećem rubu lopatice. Kako se laminarni granični sloj postupno zadeblja, koeficijent konvektivnog prijenosa topline postupno se smanjuje; na prijelaznoj točki, koeficijent konvektivnog prijenosa topline naglo raste; nakon prijelaza u turbulentni granični sloj, kako se viskozni donji sloj postupno zgušnjava, koeficijent konvektivnog prijenosa topline postupno opada. Za usisnu površinu, odvajanje protoka koje se može pojaviti u stražnjem dijelu uzrokovat će blago povećanje konvektivnog koeficijenta prijenosa topline.

Šok hlađenje

Sudarno hlađenje je korištenje jednog ili više mlaznica hladnog zraka za udaranje u vruću površinu, stvarajući jak konvekcijski prijenos topline u području udara. Karakteristika udarnog hlađenja je da postoji visok koeficijent prijenosa topline na površini stijenke područja stagnacije gdje struja hladnog zraka utječe, tako da se ovom metodom hlađenja može primijeniti fokusirano hlađenje površine.

Sudarno hlađenje unutarnje površine prednjeg ruba lopatice turbine je ograničeno prostorno hlađenje sudarom, a mlaz (struja hladnog zraka) ne može se slobodno miješati s okolnim zrakom. Sljedeće predstavlja hlađenje udarnim udarom ravninske mete s jednim otvorom, što je osnova za proučavanje utjecaja udarnog protoka i prijenosa topline.

Tok okomite udarne ravnine mete s jednom rupom prikazan je na gornjoj slici. Ravna meta je dovoljno velika i nema rotaciju, a na površini nema drugog fluida za unakrsno strujanje. Kada udaljenost između mlaznice i ciljane površine nije jako mala, dio izlaza mlaza može se smatrati slobodnim mlazom, točnije dio jezgre (ⅰ) i osnovni dio (Ⅱ) na slici. Kada se mlaz približi ciljnoj površini, vanjska granična linija mlaza počinje se mijenjati iz ravne u krivulju, a mlaz ulazi u zonu okretanja (ⅲ), koja se naziva i zona stagnacije. U zoni stagnacije mlaz završava prijelaz iz strujanja okomitog na ciljnu površinu u strujanje paralelno s ciljnom površinom. Nakon što mlažnjak završi 90° okretanjem, ulazi u zonu zidnog mlaza (IV) sljedećeg odjeljka. U zoni zidnog mlaza tekućina teče paralelno s ciljnom površinom, a njezina vanjska granica ostaje ravna linija. U blizini stijenke nalazi se izuzetno tanak laminarni granični sloj. Mlaz nosi veliku količinu hladnog zraka, a brzina dolaska je vrlo velika. Turbulencija u zoni stagnacije također je vrlo velika, pa je koeficijent prolaza topline udarnog hlađenja vrlo visok.

Konvekcijsko hlađenje

（1）Radijalni izravni kanal za hlađenje unutar oštrice

Zrak za hlađenje struji izravno kroz unutarnju šupljinu lopatice za navođenje u radijalnom smjeru, apsorbirajući toplinu putem konvekcijskog prijenosa topline kako bi se smanjila temperatura tijela lopatice. Međutim, pod uvjetom određenog volumena zraka za hlađenje, koeficijent konvekcijskog prijenosa topline ove metode je nizak i učinak hlađenja je ograničen.

(2) Više kanala za hlađenje unutar oštrice (dizajn s više šupljina)

Dizajn s više šupljina ne samo da povećava konvekcijski koeficijent prijenosa topline između hladnog zraka i unutarnje površine lopatice turbine, već također povećava ukupnu površinu izmjene topline, povećava unutarnji protok i vrijeme izmjene topline i ima visoku hladnoću zraka stopa iskorištenja. Učinak hlađenja može se poboljšati razumnom raspodjelom struje hladnog zraka. Naravno, dizajn s više šupljina ima i nedostatke. Zbog velike udaljenosti cirkulacije zraka za hlađenje, male površine cirkulacije i višestrukih okreta protoka zraka, otpor protoka će se povećati. Ova složena struktura također povećava poteškoće procesne obrade i povećava troškove.

(3)Rebrasta struktura poboljšava konvekcijski prijenos topline i hlađenje stupa spojlera

Svako rebro u strukturi rebra djeluje kao element poremećaja protoka, uzrokujući odvajanje tekućine od graničnog sloja i formiranje vrtloga različite snage i veličine. Ovi vrtlozi mijenjaju strukturu protoka fluida, a proces prijenosa topline je značajno poboljšan povećanjem turbulencije fluida u području blizu stijenke i periodičnom izmjenom mase između velikih vrtloga i glavnog toka.

Rashladni stup spojlera mora imati više redova cilindričnih rebara raspoređenih na određeni način unutar unutarnjeg rashladnog kanala. Ova cilindrična rebra ne samo da povećavaju područje izmjene topline, već također povećavaju međusobno miješanje hladnog zraka u različitim područjima zbog poremećaja strujanja, što može značajno povećati učinak prijenosa topline.

Hlađenje filmom

Hlađenje zračnim filmom je ispuhivanje hladnog zraka iz rupa ili praznina na vrućoj površini i formiranje sloja hladnog zračnog filma na vrućoj površini kako bi se spriječilo zagrijavanje čvrste stijenke vrućim plinom. Budući da film hladnog zraka blokira kontakt između glavnog strujanja zraka i radne površine, postiže se svrha toplinske izolacije i zaštite od korozije, pa se u literaturi ovaj način hlađenja naziva i barijernim hlađenjem.

Mlaznice filmskog hlađenja obično su okrugle rupe ili nizovi okruglih rupa, a ponekad se izrađuju u dvodimenzionalne proreze. U stvarnim rashladnim strukturama obično postoji određeni kut između mlaznice i površine koja se hladi.

Velik broj studija o cilindričnim rupama u 1990-ima pokazao je da će omjer puhanja (omjer gustog toka mlaza i glavnog toka) značajno utjecati na učinak hlađenja adijabatskog filma jednog reda cilindričnih rupa. Nakon što mlaz hladnog zraka uđe u područje glavnog toka plina visoke temperature, formirat će par vrtložnih parova rotirajućih naprijed i nazad, također poznat kao par vrtloga u obliku bubrega. Kada je zrak koji puše relativno visok, osim prednjih vrtloga, odljev će također formirati suprotno rotirajuće vrtloge. Ovaj obrnuti vrtlog zarobit će visokotemperaturni plin u glavnoj struji i dovesti ga do zadnjeg ruba prolaza lopatice, čime se smanjuje učinak hlađenja filma.