Turbinos pagrindai – turbinos ir menčių aušinimo technologija

Ašinio srauto turbinos konstrukcija

Turbina yra sukamoji jėgos mašina, kuri darbinio skysčio entalpiją paverčia mechanine energija. Tai vienas iš pagrindinių orlaivių variklių, dujų turbinų ir garo turbinų komponentų. Energijos konversija tarp turbinų ir kompresorių bei oro srauto vyksta priešingai. Veikdamas kompresorius sunaudoja mechaninę energiją, o tekėdamas per kompresorių oro srautas įgyja mechaninę energiją, didėja slėgis ir entalpija. Kai turbina veikia, veleno darbas išvedamas iš turbinos veleno. Dalis veleno darbo sunaudojama guolių trintis įveikti ir priedams varyti, o likusią dalį sugeria kompresorius.

Čia aptariamos tik ašinio srauto turbinos. Dujų turbinos variklio turbina paprastai susideda iš kelių pakopų, tačiau statorius (purkštuko žiedas arba kreiptuvas) yra prieš besisukančią sparnuotė. Turbinos elemento pakopos menčių kanalas yra konvergentinis, o iš degimo kameros aukštos temperatūros ir aukšto slėgio dujos jame plečiasi ir greitėja, o turbina atlieka mechaninį darbą.

Turbinos mentės išorinio paviršiaus šilumos perdavimo charakteristikos

Konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas tarp dujų ir ašmenų paviršiaus apskaičiuojamas pagal Niutono aušinimo formulę.

Slėgio paviršiaus ir siurbimo paviršiaus konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas yra didžiausias priekiniame mentės krašte. Laminariniam ribiniam sluoksniui palaipsniui storėjant, konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas palaipsniui mažėja; pereinamajame taške staiga padidėja konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas; perėjus į turbulentinį ribinį sluoksnį, klampiam apatiniam sluoksniui palaipsniui storėjant, konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas palaipsniui mažėja. Dėl siurbimo paviršiaus srauto atsiskyrimo, kuris gali atsirasti galinėje dalyje, konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas šiek tiek padidės.

Šoko aušinimas

Smūginis aušinimas – tai vienos ar kelių šalto oro srovių naudojimas karštam paviršiui paveikti, sukuriant stiprų konvekcinį šilumos perdavimą smūgio zonoje. Smūginio aušinimo ypatybė yra ta, kad sąstingio zonos sienelės paviršiuje, kur veikia šalto oro srautas, yra didelis šilumos perdavimo koeficientas, todėl šis vėsinimo būdas gali būti naudojamas fokusuotam vėsinimui ant paviršiaus.

Turbinos mentės priekinio krašto vidinio paviršiaus smūginis aušinimas yra ribotos erdvės smūginis aušinimas, o srovė (šalto oro srautas) negali laisvai maišytis su aplinkiniu oru. Toliau pristatomas vienos skylės plokštumos taikinio susidūrimo aušinimas, kuris yra pagrindas tiriant susidūrimo srauto ir šilumos perdavimo poveikį.

Vienos skylės vertikalios smūgio plokštumos taikinio srautas parodytas aukščiau esančiame paveikslėlyje. Plokštumos taikinys yra pakankamai didelis ir nesisuka, o paviršiuje nėra kito skersinio srauto skysčio. Kai atstumas tarp purkštuko ir tikslinio paviršiaus nėra labai arti, purkštuko išleidimo angos dalis gali būti laikoma laisva srove, būtent šerdies dalis (Ⅰ) ir pagrindinė dalis (Ⅱ) paveiksle. Kai čiurkšlė artėja prie tikslinio paviršiaus, purkštuko išorinė ribinė linija pradeda keistis iš tiesios į kreivę, o srovė patenka į posūkio zoną (ⅲ), dar vadinama stagnacijos zona. Sąstingio zonoje srovė užbaigia perėjimą nuo srauto, statmeno tiksliniam paviršiui, prie srauto, lygiagrečio tiksliniam paviršiui. Reaktyviniam lėktuvui įveikus 90° posūkyje, jis patenka į kitos sekcijos sienos srovės zoną (IV). Sienos srovės zonoje skystis teka lygiagrečiai tiksliniam paviršiui, o jo išorinė riba išlieka tiesi linija. Prie sienos yra itin plonas sluoksniuotas ribinis sluoksnis. Purkštukas neša daug šalto oro, o atvykimo greitis yra labai didelis. Turbulencija stagnacijos zonoje taip pat labai didelė, todėl smūginio aušinimo šilumos perdavimo koeficientas yra labai didelis.

Konvekcinis aušinimas

(1) Radialinis tiesioginio aušinimo kanalas mentės viduje

Aušinamasis oras teka tiesiai per vidinę kreipiamosios mentės ertmę radialine kryptimi, sugerdamas šilumą per konvekcinį šilumos perdavimą, kad sumažintų ašmenų korpuso temperatūrą. Tačiau, esant tam tikram aušinimo oro kiekiui, šio metodo konvekcinis šilumos perdavimo koeficientas yra mažas, o vėsinimo efektas yra ribotas.

(2) Keli aušinimo kanalai ašmenų viduje (kelių ertmių konstrukcija)

Kelių ertmių konstrukcija ne tik padidina konvekcinį šilumos perdavimo koeficientą tarp šalto oro ir vidinio turbinos mentės paviršiaus, bet ir padidina bendrą šilumos mainų plotą, padidina vidinį srautą ir šilumos mainų laiką bei turi didelį šalto oro kiekį. panaudojimo rodiklis. Aušinimo efektą galima pagerinti protingai paskirstant šalto oro srautą. Žinoma, kelių ertmių konstrukcija turi ir trūkumų. Dėl ilgo aušinimo oro cirkuliacijos atstumo, mažo cirkuliacijos ploto ir kelių oro srauto apsisukimų srauto pasipriešinimas padidės. Ši sudėtinga struktūra taip pat apsunkina proceso apdorojimą ir padidina išlaidas.

(3)Riebalų struktūra pagerina konvekcinį šilumos perdavimą ir spoilerio kolonėlės aušinimą

Kiekvienas briaunelė briaunelės struktūroje veikia kaip srautą trikdantis elementas, dėl kurio skystis atsiskiria nuo ribinio sluoksnio ir susidaro skirtingo stiprumo ir dydžio sūkuriai. Šie sūkuriai keičia skysčio srauto struktūrą, o šilumos perdavimo procesas žymiai pagerėja, nes padidėja skysčio turbulencija šalia sienos ir periodiškai keičiasi masės tarp didelių sūkurių ir pagrindinio srauto.

Spoilerio kolonėlės aušinimas turi turėti kelias eiles cilindrinių briaunų, tam tikru būdu išdėstytų vidiniame aušinimo kanale. Šie cilindriniai šonkauliai ne tik padidina šilumos mainų plotą, bet ir padidina abipusį šalto oro maišymąsi įvairiose srityse dėl srauto sutrikimo, o tai gali žymiai padidinti šilumos perdavimo efektą.

Filmo aušinimas

Aušinimas oro plėvele yra išpūsti šaltą orą iš karšto paviršiaus angų ar tarpų ir ant karšto paviršiaus suformuoti šalto oro plėvelės sluoksnį, kad karštomis dujomis būtų užblokuotas kietos sienos šildymas. Kadangi šalto oro plėvelė blokuoja kontaktą tarp pagrindinio oro srauto ir darbinio paviršiaus, ji pasiekia šilumos izoliacijos ir korozijos prevencijos tikslą, todėl kai kuriose literatūrose šis aušinimo būdas dar vadinamas barjeriniu vėsinimu.

Plėvelės aušinimo antgaliai dažniausiai yra apvalios skylės arba apvalių skylių eilės, o kartais iš jų daromi dvimačiai plyšiai. Faktinėse aušinimo konstrukcijose tarp antgalio ir vėsinamo paviršiaus paprastai yra tam tikras kampas.

Daugybė 1990-ųjų cilindrinių skylių tyrimų parodė, kad pūtimo santykis (tankios srovės srauto ir pagrindinės srovės santykis) labai paveiks vienos cilindrinių skylių eilės adiabatinį plėvelės aušinimo efektą. Kai šalto oro srovė pateks į pagrindinę aukštos temperatūros dujų zoną, ji sudarys į priekį ir atgal besisukančių sūkurių porą, dar vadinamą inksto formos sūkurių pora. Kai pučiamas oras yra gana aukštas, be į priekį nukreiptų sūkurių, ištekėjimas taip pat sudarys priešingai besisukančius sūkurius. Šis atvirkštinis sūkurys sulaikys aukštos temperatūros dujas pagrindiniame sraute ir nuves jas į galinį ašmenų kanalo kraštą, taip sumažindamas plėvelės aušinimo efektą.