Turbina alapjai – Turbina és lapáthűtés technológia Magyarország

Axiális áramlású turbina szerkezete

A turbina egy forgó erőgép, amely a munkafolyadék entalpiáját mechanikai energiává alakítja. A repülőgép-hajtóművek, gázturbinák és gőzturbinák egyik fő alkotóeleme. A turbinák és a kompresszorok közötti energiaátalakítás, valamint a légáramlás ellentétes az eljárással. A kompresszor működés közben mechanikai energiát fogyaszt, a légáram pedig mechanikai energiát nyer, amikor áthalad a kompresszoron, és nő a nyomás és az entalpia. Amikor a turbina jár, a tengelymunkát a turbina tengelye adja ki. A tengelymunka egy részét a csapágyak súrlódásának leküzdésére és a tartozékok meghajtására fordítják, a többit pedig a kompresszor nyeli el.

Itt csak az axiális áramlású turbinákat tárgyaljuk. A gázturbinás motor turbinája általában több fokozatból áll, de az állórész (fúvókagyűrű vagy vezető) a forgó járókerék előtt található. A turbinaelem fokozat lapátcsatornája konvergens, az égéstérből kiáramló magas hőmérsékletű és nagynyomású gáz benne tágul, gyorsul, miközben a turbina mechanikai munkát ad ki.

A turbinalapátok külső felületének hőátadási jellemzői

A gáz és a lapátfelület közötti konvektív hőátbocsátási tényezőt a Newton-hűtési képlet segítségével számítjuk ki.

A nyomófelület és a szívófelület esetében a konvektív hőátbocsátási tényező a legnagyobb a lapát élén. A lamináris határréteg fokozatos vastagodásával a konvektív hőátbocsátási tényező fokozatosan csökken; az átmeneti ponton a konvektív hőátbocsátási tényező hirtelen megnő; a turbulens határrétegre való átmenet után, ahogy a viszkózus alsó réteg fokozatosan vastagodik, a konvektív hőátbocsátási tényező fokozatosan csökken. A szívófelület esetében a hátsó részben előforduló áramlási szétválás a konvektív hőátbocsátási tényező kismértékű növekedését okozza.

Sokkoló hűtés

A becsapódásos hűtés egy vagy több hideg levegősugarat használ a forró felület beütésére, erős konvekciós hőátadást hozva létre az ütközési területen. A becsapódásos hűtés jellemzője, hogy a hideg levegő áramlásának becsapódási helyén a stagnálási terület falfelületén nagy hőátbocsátási tényező van, így ezzel a hűtési módszerrel fókuszált hűtést lehet alkalmazni a felületre.

A turbinalapát elülső élének belső felületének becsapódásos hűtése korlátozott terű becsapódásos hűtés, és a sugár (hideglevegő-áramlás) nem tud szabadon keveredni a környező levegővel. Az alábbiakban bemutatjuk az egylyukú síkcél becsapódásos hűtését, amely az ütköző áramlás és a hőátadás hatásának vizsgálatának alapja.

Az egylyukú függőleges ütközési sík céltárgy áramlását a fenti ábra mutatja. A síkcél kellően nagy és nem forog, és nincs más keresztáramú folyadék a felületen. Ha a fúvóka és a célfelület közötti távolság nem túl kicsi, akkor a sugárkimenet egy része szabad sugárnak tekinthető, nevezetesen a magszakasz (ⅰ) és az alapszakasz (Ⅱ) az ábrán. Amikor a sugár megközelíti a célfelületet, a jet külső határvonala egyenesből ívbe kezd átalakulni, és a sugár a fordulási zónába kerül (ⅲ), más néven stagnálási zóna. A stagnálási zónában a sugár befejezi az átmenetet a célfelületre merőleges áramlásból a célfelülettel párhuzamos áramlásba. Miután a jet elérte a 90-et° fordulattal a következő szakasz falsugárzónájába (IV) lép be. A falsugárzónában a folyadék a célfelülettel párhuzamosan áramlik, és a külső határa egyenes vonal marad. A fal közelében rendkívül vékony lamináris határréteg található. A jet nagy mennyiségű hideg levegőt szállít, és az érkezési sebesség nagyon nagy. A stagnálási zónában a turbulencia is nagyon nagy, ezért az ütési hűtés hőátbocsátási tényezője nagyon magas.

Konvekciós hűtés

(1) Radiális közvetlen hűtőcsatorna a pengében

A hűtőlevegő közvetlenül áramlik át a vezetőlapát belső üregén sugárirányban, és a konvekciós hőátadáson keresztül hőt vesz fel, hogy csökkentse a lapáttest hőmérsékletét. Bizonyos hűtőlevegő-térfogat mellett azonban ennek a módszernek a konvekciós hőátbocsátási tényezője alacsony, és a hűtőhatás korlátozott.

(2) Több hűtőcsatorna a pengében (többüreges kialakítás)

A többüreges kialakítás nemcsak a konvektív hőátadási tényezőt növeli a hideg levegő és a turbinalapát belső felülete között, hanem növeli a teljes hőcserélő területet, növeli a belső áramlást és a hőcsere idejét, valamint magas hideg levegővel rendelkezik. kihasználtság. A hűtőhatás a hideg levegő áramlásának ésszerű elosztásával javítható. A többüreges kialakításnak persze vannak hátrányai is. A hosszú hűtőlevegő-keringtetési távolság, a kis keringési terület és a légáramlás többszörös fordulata miatt az áramlási ellenállás megnő. Ez az összetett szerkezet megnehezíti a folyamatfeldolgozást és megnöveli a költségeket is.

(3)A bordaszerkezet fokozza a konvektív hőátadást és a légterelő oszlop hűtését

A bordaszerkezetben minden borda áramlást zavaró elemként működik, aminek következtében a folyadék leválik a határrétegről, és különböző erősségű és méretű örvényeket képez. Ezek az örvények megváltoztatják a folyadék áramlási szerkezetét, és a hőátadási folyamat jelentősen fokozódik a folyadék turbulenciájának növekedése a falközeli területen, valamint a nagy örvények és a főáram közötti időszakos tömegcsere révén.

A légterelő oszlop hűtése során több sor hengeres bordát kell elhelyezni bizonyos módon a belső hűtőcsatornában. Ezek a hengeres bordák nemcsak a hőcserélő területet növelik, hanem a hideg levegő kölcsönös keveredését is fokozzák a különböző területeken az áramlás zavara miatt, ami jelentősen növelheti a hőátadó hatást.

Film hűtés

A légfóliás hűtés célja a hideg levegő kifújása a forró felületen lévő lyukakból vagy résekből, és hideg levegő filmréteget képez a forró felületen, hogy megakadályozza a szilárd fal melegítését a forró gáz által. Mivel a hideglevegő-fólia blokkolja a fő légáramlás és a munkafelület érintkezését, így a hőszigetelés és a korrózió megelőzés célját is eléri, ezért egyes szakirodalom ezt a hűtési módot gáthűtésnek is nevezi.

A fóliahűtés fúvókái általában kerek lyukak vagy kerek lyuksorok, néha pedig kétdimenziós réseket készítenek belőlük. A tényleges hűtőszerkezetekben általában egy bizonyos szög van a fúvóka és a hűtendő felület között.

Az 1990-es években a hengeres furatokkal kapcsolatos számos tanulmány kimutatta, hogy a fúvási arány (a sugár sűrű áramlásának aránya a főáramhoz) jelentősen befolyásolja egyetlen hengeres lyuksor adiabatikus filmhűtő hatását. Miután a hideg levegősugár belép a főáramú, magas hőmérsékletű gáztérbe, egy pár előre és hátra forgó örvénypárt alkot, más néven vese alakú örvénypárt. Ha a befújt levegő viszonylag magas, az előrefelé irányuló örvények mellett a kiáramlás ellentétes forgó örvényeket is képez. Ez a fordított örvény felfogja a magas hőmérsékletű gázt a főáramban, és a pengejárat hátsó széléhez juttatja, ezáltal csökkenti a film hűtő hatását.