터빈 기초 - 터빈 및 날개 냉각 기술

축류 터빈 구조

터빈은 작업 유체의 엔탈피를 기계적 에너지로 변환하는 회전식 동력 기계입니다. 터빈은 항공기 엔진, 가스 터빈 및 증기 터빈의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 터빈과 압축기에서 공기 흐름과의 에너지 전환 과정은 서로 반대입니다. 압축기가 작동할 때는 기계적 에너지를 소비하며, 공기 흐름이 압축기를 통과할 때 기계적 에너지를 얻고, 압력과 엔탈피가 증가합니다. 터빈이 작동할 때, 터빈 샤프트로부터 샤프트 작업이 출력됩니다. 샤프트 작업의 일부는 베어링의 마찰을 극복하고 부속 장치를 구동하는 데 사용되며, 나머지는 압축기에 의해 흡수됩니다.

여기에서는 축류 터빈만 다루어집니다. 가스 터빈 엔진의 터빈은 일반적으로 여러 스테이지로 구성되지만, 정자(노즐 링 또는 가이드)는 회전하는 임펠러 앞에 위치합니다. 터빈 요소 스테이지의 날개 통로는 수렴형이며, 연소실에서 온 고온 고압 가스는 여기에서 팽창하고 가속되며, 동시에 터빈은 기계적 작업을 출력합니다.

터빈 날개 외부 표면의 열 전달 특성

가스와 날개 표면 사이의 대류 열 전달 계수는 뉴턴 냉각 공식을 사용하여 계산됩니다.

압력 면과 흡입 면에서 대류 열 전달 계수는 날개의 선단에서 가장 높습니다. 람다르 경계층이 점차 두꺼워지면서 대류 열 전달 계수는 점차 감소합니다. 전이점에서 대류 열 전달 계수가 갑자기 증가하고, 터뷸런트 경계층으로 전이된 이후 점성 저층이 점차 두꺼워지면서 대류 열 전달 계수는 다시 점차 감소합니다. 흡입 면에서는 후방 구역에서 발생할 수 있는 유동 분리가 대류 열 전달 계수를 약간 증가시킬 수 있습니다.

쇼크 쿨링

충돌 냉却是 하나 이상의 차가운 공기 제트를 사용하여 열 표면에 충격을 가하는 것으로, 이는 충격 영역에서 강한 대류 열 전달을 형성합니다. 충돌 냉각의 특징은 차가운 공기 흐름이 충돌하는 정체 영역의 벽 표면에 높은 열전달 계수가 있다는 점이며, 이 냉각 방법은 표면에 집중된 냉각을 적용하는 데 사용될 수 있습니다.

터빈 날개 선단의 내부 표면에 대한 충돌 냉却是 제한된 공간에서 이루어지는 충돌 냉각으로, 제트(차가운 공기 흐름)는 주변 공기와 자유롭게 섞일 수 없습니다. 다음은 단일 구멍 평면 타겟의 충돌 냉각에 대해 소개하며, 이는 충돌 유동 및 열전달의 영향을 연구하는 기초입니다.

단일 구멍 수직 충격 평면 타겟의 흐름은 위의 그림에 표시되어 있습니다. 평면 타겟은 충분히 크고 회전이 없으며, 표면에는 다른 교차 흐름 유체가 없습니다. 노즐과 타겟 표면 사이의 거리가 매우 가까운 경우를 제외하면, 분사구 출구의 일부는 자유 분사로 간주할 수 있으며, 이를 코어 섹션( Ⅰ )과 베이스 섹션( Ⅱ )으로 나타냅니다. 분사가 표면에 접근하면, 분사의 외곽 경계선이 직선에서 곡선으로 변하기 시작하며, 분사는 회전 영역( Ⅲ )으로 진입합니다. 이는 정체 영역이라고도 합니다. 정체 영역에서는 분사가 표면에 수직인 흐름에서 표면에 평행한 흐름으로 전환됩니다. 분사가 90 ° 그 후,它是流入下一节的壁射流区域(IV)。在壁射流区域，流体沿着目标表面平行流动，并且其外边界保持为直线。靠近墙壁处有一个非常薄的层流边界层。射流携带大量冷空气，到达速度非常高。停滞区的湍流也非常大，因此冲击冷却的传热系数非常高。

대류 냉각

（1）날개 내부의 방사형 직접 냉각 채널

냉각 공기가 유도엽편의 내강을 통해 방사방향으로 직접 흐르며 대류 열전달에 의해 열을 흡수하여 날개 본체의 온도를 낮춥니다. 그러나 일정량의 냉각 공기 조건에서 이 방법의 대류 열전달 계수는 낮고 냉각 효과가 제한적입니다.

(2) 날개 내부의 다수 냉각 통로 (다중 공간 설계)

다중 공극 설계는 터빈 블레이드의 내부 표면과 차가운 공기 사이의 대류 열전달 계수를 증가시키는 데 그치지 않고, 전체 열교환 면적을 확대하고 내부 유동 및 열교환 시간을 늘리며 높은 차가운 공기 활용률을 가지게 합니다. 차가운 공기 흐름을 합리적으로 분배함으로써 냉각 효과를 개선할 수 있습니다. 물론 다중 공극 설계에도 단점이 있습니다. 긴 냉각 공기 순환 거리, 작은 순환 면적, 그리고 공기 흐름의 여러 굽힘으로 인해 유동 저항이 증가합니다. 이 복잡한 구조는 공정 가공의 어려움을 증가시키고 비용을 더 높게 만듭니다.

（3）리브 구조는 대류 열전달을 강화하고 스포일러 기둥 냉각을 돕습니다

리브 구조의 각 리브는 흐름 방해 요소로 작용하여 유체가 경계층에서 분리되어 다양한 강도와 크기의 소용돌이를 형성하게 합니다. 이러한 소용돌이는 유체의 흐름 구조를 변화시키고, 벽 근처 영역에서 유체의 난류가 증가하며 큰 소용돌이와 주류 사이의 주기적인 질량 교환을 통해 열전달 과정이 크게 향상됩니다.

스포일러 열pillar 냉각은 내부 냉각 통로에 특정 방식으로 다수의 원통형 리브를 배열하는 것입니다. 이러한 원통형 리브는 열교환 면적을 증가시키는 동시에, 흐름의 방해로 인해 다른 지역의 차가운 공기 간의 상호 혼합을 증가시켜 열전달 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다.

필름 냉각

공기 필름 냉却是 열면에서 구멍이나 틈새로 차가운 공기를 분출하여 열면 위에 차가운 공기 필름을 형성하고, 이 필름이 고온 가스에 의한 고체 벽의 가열을 막아주는 방식이다. 차가운 공기 필름은 주류와 작업 표면 사이의 접촉을 차단하여 열 절연과 부식 방지의 목적으로 작용하므로, 일부 문헌에서는 이를 장벽 냉却이라고도 한다.

필름 냉각의 노즐은 일반적으로 원형 구멍 또는 원형 구멍 배열이며, 때때로 이를 2차원 슬롯으로 제작하기도 한다. 실제 냉각 구조에서는 노즐과 냉각 대상 표면 사이에 일정한 각도가 존재한다.

1990년대에 이루어진 원형 구멍에 대한 많은 연구들은 단일 열의 원형 구멍의 무열전도 필름 냉각 효과가 분사 제트의 밀집 흐름과 주류의 비율인 블로우링 비에 크게 영향을 받음을 보여주었다. 차가운 공기 분사가 고온 주류 기체 영역으로 들어가면, 이는 순방향 및 역방향 회전하는 소용돌이 쌍을 형성하며, 이를 신장형 소용돌이 쌍이라고도 한다. 블로우링 비가 비교적 높을 경우, 순방향 소용돌이 외에도 역회전 소용돌이가 형성될 수 있다. 이러한 역방향 소용돌이는 주류의 고온 가스를 갇아 날개 통로의 후연부로 운반하여 필름 냉각 효과를 감소시킨다.