Turbine Basisprincipes - Turbine- en Bladkoelingstechnologie Nederland

Axiale stromingsturbinestructuur

Een turbine is een roterende krachtmachine die de enthalpie van een werkvloeistof omzet in mechanische energie. Het is een van de hoofdcomponenten van vliegtuigmotoren, gasturbines en stoomturbines. De energieomzetting tussen turbines en compressoren en luchtstroom is in procedure tegengesteld. De compressor verbruikt mechanische energie wanneer deze draait, en de luchtstroom wint mechanische energie wanneer deze door de compressor stroomt, en de druk en enthalpie nemen toe. Wanneer de turbine draait, wordt aswerk uit de turbine-as uitgevoerd. Een deel van het aswerk wordt gebruikt om de wrijving op de lagers te overwinnen en de accessoires aan te drijven, en de rest wordt geabsorbeerd door de compressor.

Alleen axiale turbines worden hier besproken. De turbine in een gasturbinemotor bestaat meestal uit meerdere trappen, maar de stator (sproeierring of geleider) bevindt zich voor de roterende waaier. Het schoepenkanaal van de turbine-elementtrap is convergent en het gas met hoge temperatuur en hoge druk uit de verbrandingskamer zet zich daarin uit en versnelt, terwijl de turbine mechanisch werk levert.

Warmteoverdrachtseigenschappen van het buitenste oppervlak van turbinebladen

De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen het gas en het bladoppervlak wordt berekend met behulp van de Newton-koelformule.

Voor het drukoppervlak en het zuigoppervlak is de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt het hoogst aan de voorrand van het blad. Naarmate de laminaire grenslaag geleidelijk dikker wordt, neemt de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt geleidelijk af; bij het overgangspunt neemt de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt plotseling toe; na de overgang naar de turbulente grenslaag, naarmate de viskeuze onderste laag geleidelijk dikker wordt, neemt de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt geleidelijk af. Voor het zuigoppervlak zal de stromingsscheiding die in het achterste gedeelte kan optreden, ervoor zorgen dat de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt licht toeneemt.

Schokkoeling

Impingement cooling is het gebruiken van een of meer koude luchtstralen om het hete oppervlak te raken, waardoor een sterke convectiewarmteoverdracht in het impactgebied ontstaat. Het kenmerk van impingement cooling is dat er een hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt is op het wandoppervlak van het stagnatiegebied waar de koude luchtstroom impact heeft, dus deze koelmethode kan worden gebruikt om gerichte koeling op het oppervlak toe te passen.

De impingementkoeling van het binnenoppervlak van de voorrand van het turbineblad is een beperkte ruimte-impingementkoeling en de straal (koude luchtstroom) kan zich niet vrij mengen met de omringende lucht. Het volgende introduceert de impingementkoeling van een enkelgatsvlakdoel, wat de basis vormt voor het bestuderen van de impact van impingementstroming en warmteoverdracht.

De stroming van een verticaal impactvlakdoel met één gat wordt weergegeven in de bovenstaande afbeelding. Het vlakke doel is groot genoeg en heeft geen rotatie, en er is geen andere dwarsstroomvloeistof op het oppervlak. Wanneer de afstand tussen de nozzle en het doeloppervlak niet erg klein is, kan een gedeelte van de straaluitlaat worden beschouwd als een vrije straal, namelijk het kerngedeelte (ⅰ) en het basisgedeelte (Ⅱ) in de afbeelding. Wanneer de straal het doeloppervlak nadert, begint de buitenste grenslijn van de straal te veranderen van een rechte lijn naar een kromme lijn, en komt de straal de draaizone binnen (ⅲ), ook wel de stagnatiezone genoemd. In de stagnatiezone voltooit de straal de overgang van een stroming loodrecht op het doeloppervlak naar een stroming parallel aan het doeloppervlak. Nadat de straal een 90° beurt, komt het de wandstraalzone (IV) van het volgende gedeelte binnen. In de wandstraalzone stroomt de vloeistof parallel aan het doeloppervlak en blijft de buitengrens een rechte lijn. Dichtbij de wand bevindt zich een extreem dunne laminaire grenslaag. De straal vervoert een grote hoeveelheid koude lucht en de aankomstsnelheid is erg hoog. De turbulentie in de stagnatiezone is ook erg groot, dus de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de impactkoeling is erg hoog.

Convectiekoeling

(1) Radiaal direct koelkanaal in het blad

De koellucht stroomt direct door de binnenholte van de geleideschoep in radiale richting, waarbij warmte wordt geabsorbeerd door convectiewarmteoverdracht om de temperatuur van het bladlichaam te verlagen. Echter, onder de voorwaarde van een bepaald koelluchtvolume is de convectiewarmteoverdrachtscoëfficiënt van deze methode laag en is het koeleffect beperkt.

(2) Meerdere koelkanalen in het blad (multi-cavity design)

Het multi-cavity ontwerp verhoogt niet alleen de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen de koude lucht en het binnenoppervlak van het turbineblad, maar vergroot ook het totale warmtewisselingsoppervlak, verhoogt de interne stroming en warmtewisselingstijd en heeft een hoge koude luchtbenuttingsgraad. Het koeleffect kan worden verbeterd door de koude luchtstroom redelijk te verdelen. Natuurlijk heeft het multi-cavity ontwerp ook nadelen. Vanwege de lange koelluchtcirculatieafstand, het kleine circulatieoppervlak en meerdere windingen van de luchtstroom, zal de stromingsweerstand toenemen. Deze complexe structuur vergroot ook de moeilijkheidsgraad van procesverwerking en maakt de kosten hoger.

(3)Ribstructuur verbetert convectieve warmteoverdracht en koeling van de spoilerkolom

Elke rib in de ribstructuur fungeert als een stromingsverstoringselement, waardoor de vloeistof zich losmaakt van de grenslaag en wervelingen vormt met verschillende sterktes en groottes. Deze wervelingen veranderen de stromingsstructuur van de vloeistof en het warmteoverdrachtsproces wordt aanzienlijk verbeterd door de toename van vloeistofturbulentie in het gebied nabij de wand en de periodieke massa-uitwisseling tussen de grote wervelingen en de hoofdstroom.

Spoilerkolomkoeling is om meerdere rijen cilindrische ribben te hebben die op een bepaalde manier in het binnenste koelkanaal zijn gerangschikt. Deze cilindrische ribben vergroten niet alleen het warmtewisselingsoppervlak, maar vergroten ook de onderlinge menging van koude lucht in verschillende gebieden vanwege de verstoring van de stroming, wat het warmteoverdrachtseffect aanzienlijk kan vergroten.

Filmkoeling

Luchtfilmkoeling is het uitblazen van koude lucht uit de gaten of openingen op het hete oppervlak en het vormen van een laag koude luchtfilm op het hete oppervlak om de verwarming van de massieve wand door het hete gas te blokkeren. Omdat de koude luchtfilm het contact tussen de hoofdluchtstroom en het werkoppervlak blokkeert, bereikt het het doel van warmte-isolatie en corrosiepreventie, dus sommige literatuur noemt deze koelmethode ook wel barrièrekoeling.

De nozzles van filmkoeling zijn meestal ronde gaten of rijen ronde gaten, en soms zijn ze gemaakt in tweedimensionale sleuven. In echte koelstructuren is er meestal een bepaalde hoek tussen de nozzle en het oppervlak dat wordt gekoeld.

Een groot aantal studies naar cilindrische gaten in de jaren 1990 toonde aan dat de blaasverhouding (de verhouding van de dichte stroming van de straal tot de hoofdstroom) het adiabatische filmkoeleffect van een enkele rij cilindrische gaten aanzienlijk zal beïnvloeden. Nadat de koude luchtstraal het hoofdstroomgebied met hoge temperatuur gas binnenkomt, zal het een paar voorwaarts en achterwaarts roterende wervelparen vormen, ook bekend als een niervormig wervelpaar. Wanneer de blazende lucht relatief hoog is, zal de uitstroom naast voorwaartse wervelingen ook tegengesteld roterende wervelingen vormen. Deze omgekeerde werveling zal het hoge temperatuur gas in de hoofdstroom vangen en het naar de achterrand van de bladpassage brengen, waardoor het filmkoeleffect wordt verminderd.