Asas-asas Turbin - Teknologi Penyejukan Turbin dan Bilah

Struktur turbin aliran aksial

Turbin adalah mesin kuasa putaran yang menukar entalpi bendalir kerja kepada tenaga mekanik. Ia merupakan salah satu komponen utama enjin kapal terbang, turbin gas, dan turbin steam. Tukarans tenaga antara turbin dan pengompres serta aliran udara adalah bertentangan dalam prosedur. Pengompres mengambil tenaga mekanik semasa ia beroperasi, dan aliran udara memperoleh tenaga mekanik apabila ia mengalir melalui pengompres, dan tekanan serta entalpi meningkat. Apabila turbin beroperasi, kerja paksi dikeluarkan dari paksi turbin. Sebahagian daripada kerja paksi digunakan untuk menyelesaikan gesekan pada pelantar dan memacu kelengkapan, dan baki diserap oleh pengompres.

Hanya turbin aliran aksial yang dibincangkan di sini. Turbin dalam enjin turbin gas biasanya terdiri daripada pelbagai peringkat, tetapi stator (gelang penyemprot atau panduan) terletak di hadapan impeller yang berputar. Saluran bilah peringkat elemen turbin adalah menumpu, dan gas bertemperature tinggi dan tekanan tinggi dari kamar pembakaran mengembang dan mempercepat di dalamnya, manakala turbin mengeluarkan kerja mekanik.

Ciri-ciri pemindahan haba pada permukaan luar bilah turbin

Pekali pemindahan haba konvektif di antara gas dan permukaan bilah dikira menggunakan formula penyejukan Newton.

Untuk permukaan tekanan dan permukaan hisap, pekali pemindahan haba konvektif adalah paling tinggi pada tepi hadapan bilah. Apabila lapisan sempadan laminar bertambah tebal secara beransur-ansur, pekali pemindahan haba konvektif akan berkurang secara perlahan; pada titik transisi, pekali pemindahan haba konvektif tiba-tiba meningkat; selepas transisi kepada lapisan sempadan turbulen, apabila lapisan bawah viscous bertambah tebal secara beransur-ansur, pekali pemindahan haba konvektif akan berkurang secara perlahan. Bagi permukaan hisap, pemisahan aliran yang mungkin berlaku di bahagian belakang akan menyebabkan pekali pemindahan haba konvektif meningkat sedikit.

Penyejukan Schock

Penyejukan impingement adalah menggunakan satu atau lebih aliran udara dingin untuk memukul permukaan panas, membentuk pemindahan haba konveksi yang kuat di kawasan tumbukan. Ciri-ciri penyejukan impingement adalah terdapat pekali pemindahan haba yang tinggi pada permukaan dinding kawasan stagnasi di mana aliran udara sejuk bertembung, jadi kaedah penyejukan ini boleh digunakan untuk menyejuk secara fokus ke atas permukaan.

Penyejukan impingement pada permukaan dalaman tepi hadapan bilah turbin adalah penyejukan impingement ruang terhad, dan aliran jet (aliran udara sejuk) tidak dapat bercampur bebas dengan udara sekeliling. Berikut adalah pengenalan kepada penyejukan impingement sasaran satah berlubang tunggal, yang merupakan asas untuk mengkaji kesan aliran impingement dan pemindahan haba.

Aliran bagi sasaran satah dengan lubang tunggal menegak seperti yang ditunjukkan dalam rajah di atas. Sasaran satah adalah cukup besar dan tidak mempunyai putaran, dan tiada aliran rentas cecair lain di permukaannya. Apabila jarak antara penyemprot dan permukaan sasaran tidak terlalu dekat, satu bahagian keluaran semburan boleh dianggap sebagai semburan bebas, iaitu bahagian inti ( ⅰ ) dan bahagian asas ( ⅱ ) dalam rajah. Apabila semburan mendekati permukaan sasaran, garis sempadan luar semburan mula berubah dari garis lurus kepada lengkung, dan semburan memasuki kawasan pusingan ( ⅲ ), juga dikenali sebagai kawasan kebuntuan. Dalam kawasan kebuntuan, semburan menyempurnakan peralihan dari aliran bersudut tegak kepada permukaan sasaran kepada aliran selari dengan permukaan sasaran. Selepas semburan menyempurnakan 90 ° apabila berpusing, ia memasuki kawasan jet dinding (IV) bagi sekiranya seterusnya. Dalam kawasan jet dinding, bendalir mengalir selari dengan permukaan sasaran, dan sempadan luarnya kekal sebagai garis lurus. Dekat dinding terdapat lapisan sempadan laminar yang sangat nipis. Jet membawa jumlah besar udara sejuk, dan kelajuan kedatangannya sangat tinggi. Kekacauan dalam kawasan penumpuan juga sangat besar, maka pekali pemindahan haba bagi penyejukan impak adalah sangat tinggi.

Penyejukan Konveksi

（1）Saluran penyejukan langsung radial di dalam bilah

Angin penyejuk mengalir secara langsung melalui ruang dalaman bilah pandu dalam arah radial, menyerap haba melalui pemindahan haba konveksi untuk mengurangkan suhu badan bilah. Walau bagaimanapun, di bawah keadaan jumlah angin penyejuk tertentu, pekali pemindahan haba kaedah ini adalah rendah dan kesan penyejukannya terhad.

(2) Saluran penyejukan berbilang di dalam bilah (reka bentuk berlubang berbilang)

Reka bentuk berlubang berganda tidak hanya meningkatkan pekali pemindahan haba konvektif di antara udara sejuk dan permukaan dalam bilah turbin, tetapi juga meningkatkan kawasan pertukaran haba keseluruhan, meningkatkan aliran dalaman dan masa pertukaran haba, serta mempunyai kadar penggunaan udara sejuk yang tinggi. Kesan penyejukan boleh ditingkatkan dengan mengedarkan aliran udara sejuk dengan cara yang munasabah. Tentu saja, reka bentuk berlubang berganda juga mempunyai kelemahan. Disebabkan jarak sirkulasi udara penyejuk yang panjang, kawasan sirkulasi yang kecil, dan pelbagai pusingan aliran udara, rintangan aliran akan bertambah. Struktur yang kompleks ini juga meningkatkan kesukaran pemprosesan dan menjadikan kos lebih tinggi.

（3）Struktur rib meningkatkan pemindahan haba konvektif dan penyejukan lajur gangguan

Setiap tulang dalam struktur tulang bertindak sebagai elemen gangguan aliran, menyebabkan cecair itu terlepas dari lapisan sempadan dan membentuk kitaran dengan kekuatan dan saiz yang berbeza. Kitaran ini mengubah struktur aliran cecair, dan proses pemindahan haba ditingkatkan secara signifikan melalui peningkatan kekacauan cecair di kawasan berhampiran dinding dan pertukaran jisim berkala antara kitaran besar dan arus utama.

Penyejukan lajur spoiler adalah dengan mempunyai barisan berganda tulang silinder yang disusun dengan cara tertentu di dalam saluran penyejukan dalaman. Tulang silinder ini tidak hanya meningkatkan kawasan pertukaran haba, tetapi juga meningkatkan pencampuran saling antara udara sejuk di kawasan berbeza kerana gangguan aliran, yang dapat meningkatkan kesan pemindahan haba secara signifikan.

Penyejukan Filem

Penyejukan filem udara adalah untuk membuang udara sejuk dari lubang atau celah pada permukaan panas dan membentuk lapisan filem udara sejuk pada permukaan panas untuk menghalang pemanasan dinding pepejal oleh gas panas. Karena filem udara sejuk ini menghalangkan kontak antara aliran udara utama dengan permukaan kerja, ia mencapai tujuan penyekatan haba dan pencegahan kerosakan, jadi beberapa literatur juga memanggil kaedah penyejukan ini sebagai penyejukan penghalang.

Penyembur penyejukan filem biasanya berlubang bulat atau barisan lubang bulat, dan terkadang dibuat menjadi slot dua dimensi. Dalam struktur penyejukan sebenar, terdapat sudut tertentu antara penyembur dan permukaan yang didinginkan.

Bilangan kajian yang besar mengenai lubang silinder pada tahun 1990-an menunjukkan bahawa nisbah tiuban (nisbah aliran rapat jet kepada aliran utama) akan mempengaruhi secara signifikan kesan penyejukan filem adiabatik bagi satu barisan lubang silinder. Selepas aliran udara sejuk masuk ke dalam kawasan gas panas aliran utama, ia akan membentuk sepasang kitaran putaran maju dan songsang, yang juga dikenali sebagai pasangan kitaran bentuk buah ginjal. Apabila udara tiuban relatif tinggi, selain daripada kitaran maju, aliran keluar juga akan membentuk kitaran songsang. Kitaran songsang ini akan melingkungi gas panas dalam aliran utama dan membawanya ke tepi huluan saluran bilah, dengan itu mengurangkan kesan penyejukan filem.