터빈 기본 사항 - 터빈 및 블레이드 냉각 기술 대한민국

축류 터빈 구조

터빈은 작동 유체의 엔탈피를 기계적 에너지로 변환하는 회전 동력 기계입니다. 항공기 엔진, 가스터빈, 증기 터빈의 주요 구성 요소 중 하나입니다. 터빈과 압축기 사이의 에너지 변환과 공기 흐름은 절차가 반대입니다. 압축기는 작동 중일 때 기계적 에너지를 소비하고 공기 흐름은 압축기를 통과할 때 기계적 에너지를 얻고 압력과 엔탈피가 증가합니다. 터빈이 작동 중일 때 샤프트 작업은 터빈 샤프트에서 출력됩니다. 샤프트 작업의 일부는 베어링의 마찰을 극복하고 액세서리를 구동하는 데 사용되고 나머지는 압축기에서 흡수됩니다.

여기서는 축류 터빈만 논의합니다. 가스터빈 엔진의 터빈은 일반적으로 여러 단계로 구성되지만 스테이터(노즐 링 또는 가이드)는 회전 임펠러 앞에 위치합니다. 터빈 요소 단계의 블레이드 채널은 수렴하며 연소실의 고온 고압 가스가 그 안에서 팽창하고 가속되는 반면 터빈은 기계적 작업을 출력합니다.

터빈 블레이드 외면의 열전달 특성

가스와 블레이드 표면 사이의 대류 열전달 계수는 뉴턴 냉각 공식을 사용하여 계산됩니다.

압력 표면과 흡입 표면의 경우 대류 열전달 계수는 블레이드의 선두 가장자리에서 가장 높습니다. 층류 경계층이 점차 두꺼워짐에 따라 대류 열전달 계수는 점차 감소합니다. 전이점에서 대류 열전달 계수는 갑자기 증가합니다. 난류 경계층으로 전이한 후 점성 바닥층이 점차 두꺼워짐에 따라 대류 열전달 계수는 점차 감소합니다. 흡입 표면의 경우 후방 섹션에서 발생할 수 있는 유동 분리로 인해 대류 열전달 계수가 약간 증가합니다.

충격 냉각

충돌 냉각은 하나 이상의 차가운 공기 분사를 사용하여 뜨거운 표면에 충격을 가하여 충격 영역에서 강한 대류 열 전달을 형성하는 것입니다. 충돌 냉각의 특징은 차가운 공기 흐름이 충격을 가하는 정체 영역의 벽면에 높은 열 전달 계수가 있으므로 이 냉각 방법을 사용하여 표면에 집중 냉각을 적용할 수 있다는 것입니다.

터빈 블레이드의 선단부 내부 표면의 충격 냉각은 제한된 공간의 충격 냉각이며, 제트(차가운 공기 흐름)는 주변 공기와 자유롭게 섞일 수 없습니다. 다음은 충격 흐름과 열 전달의 영향을 연구하는 기초인 단일 구멍 평면 타겟의 충격 냉각을 소개합니다.

위의 그림은 단일 구멍 수직 충격 평면 타겟의 흐름을 보여줍니다. 평면 타겟은 충분히 크고 회전이 없으며 표면에 다른 교차 흐름 유체가 없습니다. 노즐과 타겟 표면 사이의 거리가 매우 가깝지 않은 경우 제트 출구의 일부를 자유 제트, 즉 코어 섹션(ⅰ) 및 기본 섹션(Ⅱ) 그림에서 제트가 목표 표면에 접근하면 제트의 바깥쪽 경계선이 직선에서 곡선으로 바뀌기 시작하고 제트는 선회 구역(ⅲ), 정체 구역이라고도 합니다. 정체 구역에서 제트는 대상 표면에 수직인 흐름에서 대상 표면에 평행한 흐름으로 전환을 완료합니다. 제트가 90°를 완료한 후° 회전하면 다음 구간의 벽 제트 구역(IV)으로 들어간다. 벽 제트 구역에서 유체는 목표 표면과 평행하게 흐르고, 그 바깥쪽 경계는 직선으로 유지된다. 벽 근처에는 극히 얇은 층류 경계층이 있다. 제트는 많은 양의 차가운 공기를 운반하고, 도착 속도가 매우 빠르다. 정체 구역의 난류도 매우 크기 때문에 충격 냉각의 열전달 계수가 매우 높다.

대류 냉각

（1）블레이드 내부의 방사형 직접 냉각 채널

냉각 공기는 가이드 베인의 내부 공동을 방사형으로 직접 흐르면서 대류 열전달을 통해 열을 흡수하여 블레이드 본체의 온도를 낮춥니다. 그러나 일정한 냉각 공기량의 조건에서 이 방법의 대류 열전달 계수는 낮고 냉각 효과가 제한적입니다.

(2) 블레이드 내부의 다중 냉각 채널(멀티 캐비티 디자인)

다중 캐비티 설계는 차가운 공기와 터빈 블레이드 내부 표면 사이의 대류 열전달 계수를 증가시킬 뿐만 아니라 총 열교환 면적을 늘리고 내부 흐름과 열교환 시간을 늘리며 차가운 공기 이용률이 높습니다. 차가운 공기 흐름을 합리적으로 분배하여 냉각 효과를 향상시킬 수 있습니다. 물론 다중 캐비티 설계에도 단점이 있습니다. 냉각 공기 순환 거리가 길고 순환 면적이 작으며 공기 흐름이 여러 번 회전하기 때문에 흐름 저항이 증가합니다. 이 복잡한 구조는 또한 공정 처리의 어려움을 증가시키고 비용을 더 높입니다.

(3)리브 구조는 대류 열 전달과 스포일러 컬럼 냉각을 향상시킵니다.

리브 구조의 각 리브는 유동 교란 요소로 작용하여 유체가 경계층에서 분리되고 서로 다른 강도와 크기의 와류를 형성합니다. 이러한 와류는 유체의 유동 구조를 변경하고, 벽 근처 영역에서 유체 난류가 증가하고 큰 와류와 주류 사이의 주기적 질량 교환을 통해 열 전달 프로세스가 크게 향상됩니다.

스포일러 컬럼 냉각은 내부 냉각 채널 내부에 일정한 방식으로 배열된 여러 줄의 원통형 리브를 갖는 것입니다. 이러한 원통형 리브는 열 교환 면적을 늘릴 뿐만 아니라 흐름의 교란으로 인해 다른 영역에서 차가운 공기의 상호 혼합을 증가시켜 열 전달 효과를 크게 높일 수 있습니다.

필름 냉각

공기막 냉각은 뜨거운 표면의 구멍이나 틈새에서 차가운 공기를 불어내고 뜨거운 표면에 차가운 공기막 층을 형성하여 뜨거운 가스에 의한 고체 벽의 가열을 차단하는 것입니다. 차가운 공기막은 주 기류와 작업 표면 사이의 접촉을 차단하므로 단열 및 부식 방지 목적을 달성하므로 일부 문헌에서는 이 냉각 방법을 장벽 냉각이라고도 합니다.

필름 냉각의 노즐은 일반적으로 둥근 구멍 또는 둥근 구멍의 행이며, 때로는 2차원 슬롯으로 만들어집니다. 실제 냉각 구조에서는 일반적으로 노즐과 냉각되는 표면 사이에 특정 각도가 있습니다.

1990년대 원통형 구멍에 대한 많은 연구에서 송풍 비율(제트의 밀도 흐름과 주류 흐름의 비율)이 단일 행의 원통형 구멍의 단열 필름 냉각 효과에 상당한 영향을 미칠 것임을 보여주었습니다. 차가운 공기 제트가 주류 고온 가스 영역에 진입한 후, 신장형 와류 쌍이라고도 알려진 한 쌍의 정방향 및 역방향 회전 와류 쌍을 형성합니다. 송풍 공기가 비교적 높을 때, 정방향 와류 외에도 유출은 역회전 와류도 형성합니다. 이 역방향 와류는 주류에 고온 가스를 가두고 블레이드 통로의 후단으로 가져와 필름 냉각 효과를 감소시킵니다.