יסודות הטורבינה - טכנולוגיה להקרנת טורבינה ופינים

מבנההבנין של טורבינה עם זרימת ציר

טורבינה היא מכונה סיבובית שמשתמשת בהנרגיה הפנימית של נוזל או גז כדי להפוך אותה לאנרגיה מכנית. זו אחת מהרכיבים העיקריומים של מנועי מטוסים, טורבינות גז וטורבינות בخار. המרה של אנרגיה בין הטורבינה למחומש והזרימה היא היפך האחד של השני בתהליך. המחומש שולף אנרגיה מכנית כשהוא פועל, והזרימה מאבדת אנרגיה מכנית כשעוברת דרך המחומש, מה שגורם להקטנה של לחץ ואנרגיה פנימית. כאשר הטורבינה פועלת, עבודה מיכנית מופקת מהציר של הטורבינה. חלק מהעבודה מושקעת כדי להתגבר על חיכוך בעצביים ולהפעיל את החילונים, והשאר משמש כדי להניע את המחומש.

כאן נדון רק בטורבינות זרימה אקסיאלית. הטורבינה במנוע טורבינת גז מורכבת בדרך כלל מרבים של שלבים, אך הסטטור (חוג נוזל או מדריך) ממוקם לפני המפוחה מסובבת. התעלה של בלדה של שלב האלמנט הטורביני היא מתכנסת, והגזים בעלי הטמפרטורה והלחץ הגבוהים מחדר השרפה מתפשטים ומאיצים בתוכו, תוך שהטורבינה מייצרת עבודה מכנית.

תכונות העברת חום של הפנים החיצוני של בלדת הטורבינה

המקדם של העברת חום קונבקטיבית בין הגז למשטח הבלדה מחושב באמצעות הנוסחה של קירוי ניוטון.

לצורך הפנים המאובק והפנים המושך, מקדם העברת החום הקונבקטיבי הוא הגבוה ביותר בקצה הקדימוני של הלהב. כאשר שכבה גבולית לאמינרית מתעבה בהדרגה, מקדם העברת החום הקונבקטיבי יורד בהדרגה; בנקודה של המעבר, מקדם העברת החום הקונבקטיבי עולה לפתע; לאחר המעבר לשכבה גבולית טורבלנטית, כאשר שכבה דבקה מתחזקת בהדרגה, מקדם העברת החום הקונבקטיבי יורד בהדרגה. עבור הפנים המושך, הפרדה של זרימה שאולי תתרחש בשטח האחורי תגרום למקדם העברת החום הקונבקטיבי לעלות מעט.

קירור על ידי אפקט쇼ק

תקריב קירור הוא להשתמש באחד או יותר מזרקי אוויר קר שמשפיעים על הפנים החם, מה שיוצר העברה חמה של קונבקציה חזקה באזור ההשפעה. התכונה של תקריב קירור היא שיש מקדם מעבר חום גבוה על פני הקיר באזור העצירה בו זרימת האוויר הקר פוגעת, ולכן שיטת קירור זו יכולה לשמש לקירור ממוקד של השטח.

תקריב קירור של הפנים הפנימי של הקצה המוביל של בליטי הטורבינה הוא תקריב קירור במרחב מוגבל, ובו זרם הזריקות (זרימת אוויר קר) לא יכול לערבב חופשי עם האוויר הסובב. להלן יוצג תקריב קירור של מטרה במישור עם חור אחד, שהוא הבסיס לחקר ההשפעה של זרימת התקריב והעברת החום.

הזרימה של מטרה אנכית עם חור בודד מוצגת בתרשים לעיל. המטרה האנכית גדולה מספיק ואין לה סיבוב, ואין זרימת נוזל נוספת על הפנים. כאשר המרחק בין התווך לפנים של המטרה אינו מאוד קרוב, ניתן לראות חלק מהיציאה של הזרם כזרם חופשי, שנקרא גם החלק המרכז ( ⅰ ) והחלק הבסיסי ( ⅱ )正如图中所示。כאשר הזרם מתקרב אל פני המטרה, הקו הגבולי החיצוני של הזרם מתחיל להשתנות מליניה ישרה לקו עקום, והזרם נכנס לאזור השינוי ( ⅲ ), שגם מכונה אזור העצירה. באזור העצירה, הזרם משלים את המעבר מזרימה אנכית למטרה לזרימה מקבילית לפנים של המטרה. לאחר שהזרם משלים מעבר של 90 ° כאשר הוא מתרחש, נכנס לתחום النفיחת הקיר (IV) של ה섹ציה הבאה. בתחום זה של נפיחת הקיר, הנוזל זורם במקביל לפני המטרה, והגבול החיצוני שלו נשאר קו ישר. ליד הקיר יש שכבה גבולית דקה מאוד בלתי טורבלנטית. הנפח נושא כמות גדולה של אוויר קר, ועוצמת הגעתו היא גבוהה מאוד. הטורבולנטיות באזור העצירה גם היא גבוהה מאוד, ולכן המקדם של מעבר חום בהקרנה הוא גבוה מאוד.

קירור קונבקטיבי

（1）ערוץ קירור ישיר רדיאלי בתוך הפין

האוויר הקורר זורם ישירות דרך המערה הפנימית של הספק הרדיאלי, מקליט חום באמצעות מעבר חום קונבקטיבי כדי להפחית את טמפרטורת גוף הפין. עם זאת, תחת תנאי כמות אוויר קורר מסוימת, המקדם של מעבר חום קונבקטיבי של שיטה זו נמוך והשפעת הקירור מוגבלת.

(2) מספר ערוצים של קירור בתוך הפין (עיצוב מרוב חללים)

העיצוב מרובע לא רק מגדיל את מקדם העברת החום הקונבקטיבי בין האוויר הקרה והשטח הפנימי של חלקי הטורבינה, אלא גם מגדיל את שטח החליפת החום הכולל, מגדיל את זרימת המים הפנימית וזמן החליפת החום, ויש לו תוחלת גבוהה של שימוש באויר קר. ניתן לשפר את תוצאת התקרור על ידי התפלגות סבירה של זרימת האויר הקר. כמובן, גם לעיצוב מרובע יש חסרונות. בגלל שהמרחק של זרימת אוויר קר ארוך, שטח זרימה קטן ומספר פניות של זרימת האוויר גדול, ההתנגדות לזרימה תגדל. המבנה מורכב זה גם מגדיל את קושי עיבוד התהליך וגורם להעלות גבוהה יותר.

（3）מבנה ריבועי מגדיל את העברת החום הקונבקטיבי והטיהור העמודי של הספוילרים

כל עמודה במבנה העמודים פועלת כאלמנט הפרעה לזרימה, מה שגורם לנוזל להיפרד מהשכבה הגבולית ולהיווצרות ורטיקסים עם עוצמות וגדלים שונים. הורטיקסים אלו משנים את המבנה של זרימת הנוזל, והпро세ס של מעבר חום מוגבר באופן משמעותי באמצעות התוספת בהפרכיות של הנוזל באזור הקיר ובתחלוף מחזורי מסה בין הורטיקסים גדולים לצרף הראשי.

קירור ע"י עמודות ספוילר כולל מספר שורות של עמודים צילндric ממוינים בדרך מסוימת בתוך ערוץ הקירור הפנימי. העמודים הצילינדרים האלה לא רק מגדילים את שטח החליפת החום, אלא גם מגדילים את התערובת הדדית של אוויר קר בין אזורים שונים בגלל ההפרעה של זרימה, מה שיכולה להגדיל באופן משמעותי את תופעת מעבר החום.

קירור סרט

קירור של שכבה אווירית הוא להפיח אוויר קר מהחורים או הפערים על פני השטח החם וליצור שכבה של אוויר קר על פני השטח החם כדי להindered את חימום הקיר بواسطة הגז החם. מכיוון שהשכבה האווירית הקרת מונעת מגע בין זרימת האוויר העיקרית ובין השטח הפעיל, היא מושגת תכליתו של חסימת חום ומניעת קורוזיה, ולכן חלק מהספרים קוראים לשיטת קירור זו גם קירור מחסום.

הנוצצות של הקירור האווירי הן בדרך כלל חורים עגולים או שורות של חורים עגולים, ולפעמים הן נוצרות לוחות דו-ממדיים. במבני קירור אמיתיים, יש בדרך כלל זווית מסוימת בין הנוצץ ובין השטח שנקרר.

מספר גדול של מחקרים על חורים צילндricים בשנות ה-90 הראו שהיחס של النفיחות (היחס בין זרימת הסילון הצפופה לזרם העיקרי) ישפיע באופן משמעותי על תופעת הקירור של סילון בודד של חורים צילינדריים. לאחר שזרימת האוויר הקרה נכנסת לאזור הגזים החמים של הזרם הראשי, היא תיצור זוג של ווורטיקסים מסתובבים קדימה ואחורה, גם ידועים כזוג ווורטיקס בצורת כליה. כאשר אוויר הנפיחה הוא יחסית גבוה, בנוסף לוורטיקסים קדימה, גם זרם החוצה יוצר ווורטיקסים מסתובבים הפוך. ווורטיקס זה הפוך יתפוס את גזים חמים מהזרם הראשי ויביא אותם לקצה האחורי של מעבר השפלה, מה שיפחית את תופעת הקירור של הסילון.