Asas Turbin - Teknologi Penyejukan Turbin dan Bilah Malaysia

Struktur turbin aliran paksi

Turbin ialah mesin kuasa berputar yang menukarkan entalpi bendalir kerja kepada tenaga mekanikal. Ia adalah salah satu komponen utama enjin pesawat, turbin gas, dan turbin stim. Penukaran tenaga antara turbin dan pemampat dan aliran udara adalah bertentangan dalam prosedur. Pemampat menggunakan tenaga mekanikal apabila ia berjalan, dan aliran udara memperoleh tenaga mekanikal apabila ia mengalir melalui pemampat, dan tekanan dan entalpi meningkat. Apabila turbin berjalan, kerja aci dikeluarkan daripada aci turbin. Sebahagian daripada kerja aci digunakan untuk mengatasi geseran pada galas dan memacu aksesori, dan selebihnya diserap oleh pemampat.

Hanya turbin aliran paksi dibincangkan di sini. Turbin dalam enjin turbin gas biasanya terdiri daripada beberapa peringkat, tetapi stator (gelang muncung atau panduan) terletak di hadapan pendesak berputar. Saluran bilah peringkat elemen turbin adalah konvergen, dan gas suhu tinggi dan tekanan tinggi dari kebuk pembakaran mengembang dan memecut di dalamnya, manakala turbin mengeluarkan kerja mekanikal.

Ciri-ciri pemindahan haba permukaan luar bilah turbin

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

Untuk permukaan tekanan dan permukaan sedutan, pekali pemindahan haba perolakan adalah yang paling tinggi di tepi hadapan bilah. Apabila lapisan sempadan lamina secara beransur-ansur menebal, pekali pemindahan haba perolakan berkurangan secara beransur-ansur; pada titik peralihan, pekali pemindahan haba perolakan tiba-tiba meningkat; selepas peralihan ke lapisan sempadan bergelora, apabila lapisan bawah likat secara beransur-ansur menebal, pekali pemindahan haba perolakan secara beransur-ansur berkurangan. Bagi permukaan sedutan, pengasingan aliran yang mungkin berlaku di bahagian belakang akan menyebabkan pekali pemindahan haba perolakan meningkat sedikit.

Penyejukan Kejutan

Penyejukan impingement adalah menggunakan satu atau lebih jet udara sejuk untuk memberi kesan pada permukaan panas, membentuk pemindahan haba perolakan yang kuat di kawasan hentaman. Ciri-ciri penyejukan impingement ialah terdapat pekali pemindahan haba yang tinggi pada permukaan dinding kawasan genangan di mana kesan aliran udara sejuk, jadi kaedah penyejukan ini boleh digunakan untuk menggunakan penyejukan terfokus pada permukaan.

Penyejukan hentaman permukaan dalaman pinggir utama bilah turbin adalah penyejukan hentaman ruang terhad, dan jet (aliran udara sejuk) tidak boleh bercampur bebas dengan udara sekeliling. Berikut memperkenalkan penyejukan impingement bagi sasaran satah lubang tunggal, yang merupakan asas untuk mengkaji kesan aliran impingement dan pemindahan haba.

Aliran sasaran satah impak menegak satu lubang ditunjukkan dalam rajah di atas. Sasaran pesawat cukup besar dan tidak mempunyai putaran, dan tiada cecair aliran silang lain di permukaan. Apabila jarak antara muncung dan permukaan sasaran tidak begitu dekat, bahagian alur keluar jet boleh dianggap sebagai jet bebas, iaitu bahagian teras (ⅰ) dan bahagian asas (Ⅱ) dalam rajah. Apabila jet menghampiri permukaan sasaran, garis sempadan luar jet mula berubah dari garis lurus ke lengkung, dan jet memasuki zon pusingan (Ⅲ), juga dipanggil zon genangan. Dalam zon genangan, jet melengkapkan peralihan daripada aliran berserenjang ke permukaan sasaran kepada aliran selari dengan permukaan sasaran. Selepas jet melengkapkan 90° pusing, ia memasuki zon pancutan dinding (IV) bahagian seterusnya. Dalam zon jet dinding, bendalir mengalir selari dengan permukaan sasaran, dan sempadan luarnya kekal sebagai garis lurus. Berhampiran dinding adalah lapisan sempadan lamina yang sangat nipis. Jet itu membawa sejumlah besar udara sejuk, dan kelajuan ketibaan adalah sangat tinggi. Pergolakan dalam zon genangan juga sangat besar, jadi pekali pemindahan haba penyejukan hentaman adalah sangat tinggi.

Penyejukan Perolakan

（1）Saluran penyejukan langsung jejari di dalam bilah

Udara penyejuk mengalir terus melalui rongga dalaman ram pemandu dalam arah jejari, menyerap haba melalui pemindahan haba perolakan untuk mengurangkan suhu badan bilah. Walau bagaimanapun, di bawah keadaan isipadu udara penyejukan tertentu, pekali pemindahan haba perolakan kaedah ini adalah rendah dan kesan penyejukan adalah terhad.

(2) Pelbagai saluran penyejukan di dalam bilah (reka bentuk berbilang rongga)

Reka bentuk berbilang rongga bukan sahaja meningkatkan pekali pemindahan haba perolakan antara udara sejuk dan permukaan dalaman bilah turbin, tetapi juga meningkatkan jumlah kawasan pertukaran haba, meningkatkan aliran dalaman dan masa pertukaran haba, dan mempunyai udara sejuk yang tinggi kadar penggunaan. Kesan penyejukan boleh dipertingkatkan dengan mengagihkan aliran udara sejuk secara munasabah. Sudah tentu, reka bentuk berbilang rongga juga mempunyai kelemahan. Oleh kerana jarak peredaran udara penyejukan yang panjang, kawasan peredaran kecil, dan berbilang lilitan aliran udara, rintangan aliran akan meningkat. Struktur kompleks ini juga meningkatkan kesukaran pemprosesan proses dan menjadikan kos lebih tinggi.

(3)Struktur rusuk meningkatkan pemindahan haba perolakan dan penyejukan lajur spoiler

Setiap rusuk dalam struktur tulang rusuk bertindak sebagai unsur gangguan aliran, menyebabkan bendalir tertanggal daripada lapisan sempadan dan membentuk pusaran dengan kekuatan dan saiz yang berbeza. Pusaran ini mengubah struktur aliran bendalir, dan proses pemindahan haba dipertingkatkan dengan ketara melalui peningkatan dalam pergolakan bendalir di kawasan berhampiran dinding dan pertukaran jisim berkala antara vorteks besar dan arus perdana.

Penyejukan lajur spoiler ialah mempunyai berbilang baris rusuk silinder yang disusun mengikut cara tertentu di dalam saluran penyejukan dalaman. Tulang rusuk silinder ini bukan sahaja meningkatkan kawasan pertukaran haba, tetapi juga meningkatkan pencampuran bersama udara sejuk di kawasan yang berbeza disebabkan oleh gangguan aliran, yang boleh meningkatkan kesan pemindahan haba dengan ketara.

Penyejukan Filem

Penyejukan filem udara adalah untuk meniup 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. Oleh kerana filem udara sejuk menyekat sentuhan antara aliran udara utama dan permukaan kerja, ia mencapai tujuan penebat haba dan pencegahan kakisan, jadi sesetengah literatur juga memanggil penyejukan halangan kaedah penyejukan ini.

Muncung penyejukan filem biasanya adalah lubang bulat atau deretan lubang bulat, dan kadangkala ia dibuat menjadi slot dua dimensi. Dalam struktur penyejukan sebenar, biasanya terdapat sudut tertentu antara muncung dan permukaan yang disejukkan.

Sebilangan besar kajian tentang lubang silinder pada tahun 1990-an menunjukkan bahawa nisbah tiupan (nisbah aliran tumpat jet kepada arus perdana) akan memberi kesan ketara kepada kesan penyejukan filem adiabatik bagi satu baris lubang silinder. Selepas jet udara sejuk memasuki kawasan gas bersuhu tinggi arus perdana, ia akan membentuk sepasang pasangan vorteks berputar ke hadapan dan ke belakang, juga dikenali sebagai pasangan pusaran berbentuk buah pinggang. Apabila udara yang ditiup agak tinggi, selain vorteks ke hadapan, aliran keluar juga akan membentuk vorteks putaran balas. Pusaran terbalik ini akan memerangkap gas suhu tinggi dalam arus perdana dan membawanya ke tepi belakang laluan bilah, dengan itu mengurangkan kesan penyejukan filem.