Basisprincipes van turbines - Technologie voor turbine- en bladkoeling

Axiale stroomturbinestructuur

Een turbine is een rotatiekrachtmaschine die de enthalpie van een werkvloeistof omzet in mechanische energie. Het is een van de belangrijkste onderdelen van vliegtuigmotoren, gasturbines en stoomturbines. De energieomzetting tussen turbines en compressoren en luchtstroom verloopt tegenovergesteld in procedure. De compressor verbruikt mechanische energie tijdens het draaien, en de luchtstroom krijgt mechanische energie wanneer hij door de compressor stroomt, waarna de druk en enthalpie toenemen. Wanneer de turbine draait, wordt aswerk uitgevoerd door de turbineas. Een deel van het aswerk wordt gebruikt om de wrijving op de lagerringen te overwinnen en de bijbehorende apparaten te aandrijven, en de rest wordt opgenomen door de compressor.

Hier wordt enkel ingegaan op asvoorturbines. De turbine in een gasturbinemotor bestaat meestal uit meerdere stadia, maar de stator (stuwring of gids) is gelegen voor de draaiende impeller. Het bladkanaal van het turbine-elemstage is convergent, en de hoge-temperatuur en hoge-druk gas uit de brandstofkamer breidt zich uit en versnelt erin, terwijl de turbine mechanisch werk afgeeft.

Warmteoverdrachtseigenschappen van de buitenste oppervlakte van de turbinebladen

De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen het gas en de bladoppervlakte wordt berekend met behulp van de Newtonkoelingformule.

Voor het drukoppervlak en het zuigoppervlak is de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt het hoogst bij de voorste rand van de blad. Terwijl 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 turbulentegrenslaag, als de viskeuze onderlaag geleidelijk dikker wordt, neemt de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt geleidelijk af. Voor het zuigoppervlak kan de stromingsseparatie die mogelijk optreedt in de achterste sectie ervoor zorgen dat de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt iets toeneemt.

Schokkoeling

Impingementkoeling betekent het gebruik van een of meerdere koude luchtstromen die de hete oppervlakte raken, waardoor er in het impactgebied een sterke convectieve warmteoverdracht ontstaat. De kenmerkende eigenschap van impingementkoeling is dat er een hoge warmtewisselingscoëfficiënt is op de wandoppervlakte van het stagnatiegebied waar de koude luchtstroom tegen aan komt, zodat deze koelmethode kan worden gebruikt om gerichte koeling toe te passen op de oppervlakte.

De impingementkoeling van de binnenkant van de voorste rand van de turbineblad is een beperkte-ruimte impingementkoeling, en de straal (koude luchtstroom) kan niet vrij met de omringende lucht mengen. Hieronder wordt de impingementkoeling van een enkelgat vlak doelwit ingevoerd, wat de basis vormt voor het onderzoek naar het effect van impingementstromen en warmteoverdracht.

De stroming van een enkelgat verticale impactvlak doelwit wordt weergegeven in de figuur hierboven. Het vlakke doelwit is groot genoeg en heeft geen rotatie, en er is geen andere kruisstromende vloeistof op het oppervlak. Wanneer de afstand tussen de sifuil en het doeloppervlak niet heel dichtbij is, kan een gedeelte van de straaluitlaat worden beschouwd als een vrije straal, namelijk het kerngebied ( ⅰ ) en het basisgebied ( ⅱ ) in de figuur. Wanneer de straal dichter bij het doeloppervlak komt, begint de buitenste grenslijn van de straal over te gaan van een rechte lijn naar een curve, en gaat de straal over in de omslagzone ( ⅲ ), ook wel de stagnatiezone genoemd. In de stagnatiezone voltooit de straal de overgang van een stroom loodrecht op het doeloppervlak naar een stroom evenwijdig aan het doeloppervlak. Nadat de straal een hoek van 90 ° als het wordt omgeleid, komt het in de wandstraalzone (IV) van de volgende sectie terecht. In de wandstraalzone stroomt het vloeistof parallel aan de doeloppervlak, en de buitenste grens blijft een rechte lijn. Nabij de wand is er een extreem dun laminair grenslag. De straal draagt een groot volume koude lucht mee, en de aankomst snelheid is zeer hoog. De turbulentie in de stagnatiezone is ook zeer groot, waardoor de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de impactkoeling zeer hoog is.

Convectiekoeling

（1）Radiale rechtstreekse koelkanaal binnenin de blad

De koelvlucht stroomt rechtstreeks door de binnenruimte van de leitschaaf in radiale richting, waarbij hitte wordt opgenomen via convectieve warmteoverdracht om de temperatuur van het bladlichaam te verlagen. Onder de voorwaarde van een bepaald volume koelvlucht is echter de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt van deze methode laag en is het kooleffect beperkt.

(2) Meerdere koelkanalen binnenin het blad (meercaviteitsontwerp)

De meercaviteitsontwerp verhoogt niet alleen de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt tussen de koude lucht en het binnenste oppervlak van de turbineblad, maar verhoogt ook het totale warmtewisseloppervlak, vergroot de interne stroom en de warmtewisseltijd, en heeft een hoge benutting van de koude lucht. De koelingseffect kan worden verbeterd door de koude luchtstroom redelijk te verdelen. Natuurlijk heeft de meercaviteitsontwerp ook nadelen. Door de lange circulatieafstand van de koelende lucht, het kleine circulatiegebied en de vele bochten in de luchtstroom zal de stromingsweerstand toenemen. Deze complexe structuur verhoogt ook de moeilijkheid van procesbewerking en maakt de kosten hoger.

（3）Ribstructuur versterkt convectieve warmteoverdracht en spoilerkolomkoeling

Elk rib in de ribstructuur fungeert als een verstoringselement voor de stroming, waardoor de vloeistof loskomt van de grenslaag en wervelingen met verschillende krachten en maten ontstaan. Deze wervelingen veranderen de stroomstructuur van de vloeistof, en het warmteoverdragsproces wordt aanzienlijk verbeterd door de toename van de turbulentie van de vloeistof in de nabije wandgebieden en de periodieke massa-uitwisseling tussen de grote wervelingen en de hoofdstroom.

Spoilerkolomkoeling bestaat erin om meerdere rijen cilindrische ribben op een bepaalde manier te rangschikken binnen het interne koelkanaal. Deze cilindrische ribben verhogen niet alleen de warmte-overdrachtsoppervlakte, maar ook de onderlinge menging van koude lucht in verschillende gebieden door de verstoring van de stroming, wat de warmte-overdrageffectiviteit aanzienlijk kan verhogen.

Filmkoeling

Luchtfilmkoeling bestaat eruit om koude lucht uit de gaten of spleten op het hete oppervlak te blazen en een laag koude luchtfilm op het hete oppervlak te vormen om de verhitting van de vaste wand door de hete gas te blokkeren. Aangezien de koude luchtfilm het contact tussen de hoofdluchtstroom en het werkoppervlak blokkeert, wordt het doel van thermische isolatie en corrosiepreventie bereikt, dus sommige literatuur noemt deze koelmethode ook barrièrakoeling.

De sproeiers van filmkoeling zijn meestal ronde gaten of rijen van ronde gaten, en soms worden ze gemaakt tot tweedimensionale spleten. In praktische koelstructuren is er meestal een bepaalde hoek tussen de sproeier en het gekoelde oppervlak.

Een groot aantal studies over cilindrische gaten in de jaren '90 toonden aan dat de blazingsverhouding (het verhouding van de dichte stroom van de jet tot de hoofdstroom) aanzienlijk invloed uitoefent op de adiabatische filmkoelingseffect van een enkele rij cilindrische gaten. Nadat de koude luchtjet de hoofdstroom met hoge temperatuur bereikt, ontstaat er een paar voortwaartse en tegendraaiende draaikolken, ook wel een nier-vormige draaikolk genoemd. Wanneer de blazingslucht relatief hoog is, vormt de uitstroom naast voortwaartse draaikolken ook tegendraaiende draaikolken. Deze tegendraaiende kolken zullen het hoge-temperatuur gas uit de hoofdstroom vastzuigen en meebrengen naar de achterkant van het bladpassage, waardoor het effect van de filmkoeling wordt verminderd.