Nozioni di base sulle turbine - Tecnologia di raffreddamento delle turbine e delle pale Italia

Struttura della turbina a flusso assiale

Una turbina è una macchina rotativa che converte l'entalpia di un fluido di lavoro in energia meccanica. È uno dei componenti principali dei motori aeronautici, delle turbine a gas e delle turbine a vapore. La conversione di energia tra turbine e compressori e il flusso d'aria è opposta nella procedura. Il compressore consuma energia meccanica quando è in funzione e il flusso d'aria guadagna energia meccanica quando scorre attraverso il compressore e la pressione e l'entalpia aumentano. Quando la turbina è in funzione, il lavoro dell'albero viene emesso dall'albero della turbina. Parte del lavoro dell'albero viene utilizzato per superare l'attrito sui cuscinetti e azionare gli accessori e il resto viene assorbito dal compressore.

Qui vengono discusse solo le turbine a flusso assiale. La turbina in un motore a turbina a gas è solitamente composta da più stadi, ma lo statore (anello o guida dell'ugello) è posizionato di fronte alla girante rotante. Il canale della pala dello stadio dell'elemento turbina è convergente e il gas ad alta temperatura e alta pressione proveniente dalla camera di combustione si espande e accelera in esso, mentre la turbina produce lavoro meccanico.

Caratteristiche di trasferimento di calore della superficie esterna della pala della turbina

Il coefficiente di scambio termico convettivo tra il gas e la superficie della pala viene calcolato utilizzando la formula di raffreddamento di Newton.

Per la superficie di pressione e la superficie di aspirazione, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo è più alto sul bordo d'attacco della pala. Man mano che lo strato limite laminare si ispessisce gradualmente, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo diminuisce gradualmente; nel punto di transizione, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo aumenta improvvisamente; dopo la transizione allo strato limite turbolento, man mano che lo strato inferiore viscoso si ispessisce gradualmente, il coefficiente di trasferimento di calore convettivo diminuisce gradualmente. Per la superficie di aspirazione, la separazione del flusso che può verificarsi nella sezione posteriore causerà un leggero aumento del coefficiente di trasferimento di calore convettivo.

Raffreddamento d'urto

Il raffreddamento a impatto consiste nell'utilizzare uno o più getti di aria fredda per colpire la superficie calda, formando un forte trasferimento di calore per convezione nell'area di impatto. La caratteristica del raffreddamento a impatto è che c'è un elevato coefficiente di trasferimento di calore sulla superficie della parete dell'area di stagnazione dove impatta il flusso di aria fredda, quindi questo metodo di raffreddamento può essere utilizzato per applicare un raffreddamento mirato alla superficie.

Il raffreddamento a impatto della superficie interna del bordo d'attacco della pala della turbina è un raffreddamento a impatto in uno spazio limitato e il getto (flusso di aria fredda) non può mescolarsi liberamente con l'aria circostante. Di seguito viene presentato il raffreddamento a impatto di un bersaglio piano a foro singolo, che è la base per studiare l'impatto del flusso a impatto e del trasferimento di calore.

Il flusso di un bersaglio piano di impatto verticale a foro singolo è mostrato nella figura sopra. Il bersaglio piano è sufficientemente grande e non ha rotazione, e non c'è altro fluido a flusso incrociato sulla superficie. Quando la distanza tra l'ugello e la superficie del bersaglio non è molto vicina, una sezione dell'uscita del getto può essere considerata un getto libero, vale a dire la sezione centrale (ⅰ) e la sezione di base (Ⅱ) nella figura. Quando il getto si avvicina alla superficie bersaglio, la linea di confine esterna del getto inizia a cambiare da una linea retta a una curva e il getto entra nella zona di virata (ⅲ), detta anche zona di stagnazione. Nella zona di stagnazione, il getto completa la transizione da un flusso perpendicolare alla superficie bersaglio a un flusso parallelo alla superficie bersaglio. Dopo che il getto completa un 90° a sua volta, entra nella zona del getto di parete (IV) della sezione successiva. Nella zona del getto di parete, il fluido scorre parallelamente alla superficie bersaglio e il suo confine esterno rimane una linea retta. Vicino alla parete c'è uno strato limite laminare estremamente sottile. Il getto trasporta una grande quantità di aria fredda e la velocità di arrivo è molto elevata. Anche la turbolenza nella zona di stagnazione è molto ampia, quindi il coefficiente di trasferimento di calore del raffreddamento da impatto è molto elevato.

Raffreddamento a convezione

（1）Canale di raffreddamento diretto radiale all'interno della lama

L'aria di raffreddamento scorre direttamente attraverso la cavità interna della paletta di guida in direzione radiale, assorbendo calore tramite trasferimento di calore per convezione per ridurre la temperatura del corpo della pala. Tuttavia, in condizioni di un certo volume di aria di raffreddamento, il coefficiente di trasferimento di calore per convezione di questo metodo è basso e l'effetto di raffreddamento è limitato.

(2) Canali di raffreddamento multipli all'interno della lama (design multi-cavità)

Il design multi-cavità non solo aumenta il coefficiente di trasferimento di calore convettivo tra l'aria fredda e la superficie interna della pala della turbina, ma aumenta anche l'area di scambio termico totale, aumenta il flusso interno e il tempo di scambio termico e ha un elevato tasso di utilizzo dell'aria fredda. L'effetto di raffreddamento può essere migliorato distribuendo ragionevolmente il flusso di aria fredda. Naturalmente, il design multi-cavità presenta anche degli svantaggi. A causa della lunga distanza di circolazione dell'aria di raffreddamento, della piccola area di circolazione e dei molteplici giri del flusso d'aria, la resistenza al flusso aumenterà. Questa struttura complessa aumenta anche la difficoltà di elaborazione del processo e ne aumenta i costi.

(3)La struttura delle nervature migliora il trasferimento di calore convettivo e il raffreddamento della colonna dello spoiler

Ogni nervatura nella struttura a nervature agisce come un elemento di disturbo del flusso, causando il distacco del fluido dallo strato limite e la formazione di vortici con diverse intensità e dimensioni. Questi vortici modificano la struttura del flusso del fluido e il processo di trasferimento di calore viene notevolmente migliorato attraverso l'aumento della turbolenza del fluido nell'area di prossimità della parete e lo scambio di massa periodico tra i grandi vortici e la corrente principale.

Il raffreddamento della colonna spoiler consiste nell'avere più file di nervature cilindriche disposte in un certo modo all'interno del canale di raffreddamento interno. Queste nervature cilindriche non solo aumentano l'area di scambio termico, ma aumentano anche la miscelazione reciproca di aria fredda in diverse aree a causa della perturbazione del flusso, che può aumentare significativamente l'effetto di trasferimento del calore.

Raffreddamento della pellicola

Il raffreddamento a pellicola d'aria consiste nel soffiare fuori aria fredda dai fori o dagli spazi vuoti sulla superficie calda e formare uno strato di pellicola d'aria fredda sulla superficie calda per bloccare il riscaldamento della parete solida da parte del gas caldo. Poiché la pellicola d'aria fredda blocca il contatto tra il flusso d'aria principale e la superficie di lavoro, raggiunge lo scopo di isolamento termico e prevenzione della corrosione, quindi alcuni testi chiamano questo metodo di raffreddamento anche raffreddamento a barriera.

Gli ugelli del raffreddamento a film sono solitamente fori rotondi o file di fori rotondi, e talvolta sono trasformati in fessure bidimensionali. Nelle strutture di raffreddamento effettive, di solito c'è un certo angolo tra l'ugello e la superficie da raffreddare.

Un gran numero di studi sui fori cilindrici negli anni '1990 ha dimostrato che il rapporto di soffiaggio (il rapporto tra il flusso denso del getto e quello principale) influenzerà significativamente l'effetto di raffreddamento adiabatico del film di una singola fila di fori cilindrici. Dopo che il getto di aria fredda entra nell'area del gas ad alta temperatura principale, formerà una coppia di coppie di vortici rotanti in avanti e all'indietro, note anche come coppia di vortici a forma di rene. Quando l'aria soffiata è relativamente alta, oltre ai vortici in avanti, il deflusso formerà anche vortici controrotanti. Questo vortice inverso intrappolerà il gas ad alta temperatura nel principale e lo porterà al bordo di uscita del passaggio della pala, riducendo così l'effetto di raffreddamento del film.