Grunnleggende om turbiner - Turbin- og bladkjøleteknologi Norge

Aksialstrømsturbinstruktur

En turbin er en roterende kraftmaskin som konverterer entalpien til en arbeidsfluid til mekanisk energi. Det er en av hovedkomponentene i flymotorer, gassturbiner og dampturbiner. Energikonverteringen mellom turbiner og kompressorer og luftstrøm er motsatt i prosedyren. Kompressoren bruker mekanisk energi når den er i gang, og luftstrømmen får mekanisk energi når den strømmer gjennom kompressoren, og trykket og entalpien øker. Når turbinen er i gang, utføres akselarbeid fra turbinakselen. En del av akselarbeidet brukes til å overvinne friksjonen på lagrene og drive tilbehøret, og resten absorberes av kompressoren.

Bare aksialstrømsturbiner er omtalt her. Turbinen i en gassturbinmotor er vanligvis sammensatt av flere trinn, men statoren (dysering eller guide) er plassert foran det roterende pumpehjulet. Bladkanalen til turbinelementtrinnet er konvergent, og høytemperatur- og høytrykksgassen fra forbrenningskammeret ekspanderer og akselererer i den, mens turbinen produserer mekanisk arbeid.

Varmeoverføringsegenskaper til turbinbladets ytre overflate

Den konvektive varmeoverføringskoeffisienten mellom gassen og bladoverflaten beregnes ved å bruke Newton-kjøleformelen.

For trykkflaten og sugeflaten er den konvektive varmeoverføringskoeffisienten høyest ved bladets forkant. Når det laminære grensesjiktet gradvis tykner, avtar den konvektive varmeoverføringskoeffisienten gradvis; ved overgangspunktet øker plutselig den konvektive varmeoverføringskoeffisienten; etter overgangen til det turbulente grensesjiktet, ettersom det viskøse bunnlaget gradvis tykner, avtar den konvektive varmeoverføringskoeffisienten gradvis. For sugeflaten vil strømningsseparasjonen som kan oppstå i bakseksjonen føre til at den konvektive varmeoverføringskoeffisienten øker noe.

Sjokkkjøling

Impingement-kjøling er å bruke en eller flere kalde luftstråler for å påvirke den varme overflaten, og danne en sterk konveksjonsvarmeoverføring i støtområdet. Karakteristikken for impingement-kjøling er at det er en høy varmeoverføringskoeffisient på veggoverflaten til stagnasjonsområdet der den kalde luftstrømmen påvirker, så denne kjølemetoden kan brukes til å påføre fokusert kjøling på overflaten.

Påstøtskjølingen av den indre overflaten av forkanten av turbinbladet er en begrenset plasspåvirkningskjøling, og strålen (kald luftstrøm) kan ikke blandes fritt med den omgivende luften. Det følgende introduserer støtkjøling av et enkelthulls planmål, som er grunnlaget for å studere virkningen av støtstrøm og varmeoverføring.

Strømmen til et vertikalt slagplanmål med ett hull er vist i figuren ovenfor. Planmålet er stort nok og har ingen rotasjon, og det er ingen annen kryssstrømsvæske på overflaten. Når avstanden mellom dysen og måloverflaten ikke er veldig nær, kan en del av stråleutløpet betraktes som en fri stråle, nemlig kjerneseksjonen (ⅰ) og grunnseksjonen (Ⅱ) på figuren. Når strålen nærmer seg måloverflaten, begynner strålens ytre grenselinje å endre seg fra en rett linje til en kurve, og strålen går inn i vendesonen (ⅲ), også kalt stagnasjonssonen. I stagnasjonssonen fullfører strålen overgangen fra en strømning vinkelrett på måloverflaten til en strømning parallelt med måloverflaten. Etter at jetflyet fullfører en 90° sving, går den inn i veggstrålesonen (IV) i neste seksjon. I veggstrålesonen strømmer væsken parallelt med måloverflaten, og dens ytre grense forblir en rett linje. Nær veggen ligger et ekstremt tynt laminært grensesjikt. Jetflyet frakter store mengder kald luft, og ankomsthastigheten er svært høy. Turbulensen i stagnasjonssonen er også veldig stor, så varmeoverføringskoeffisienten til slagkjølingen er veldig høy.

Konveksjonskjøling

（1） Radiell direkte kjølekanal inne i bladet

Kjøleluften strømmer direkte gjennom det indre hulrommet til ledevingen i radiell retning, og absorberer varme gjennom konveksjonsvarmeoverføring for å redusere temperaturen på bladkroppen. Imidlertid, under betingelsen av et visst kjøleluftvolum, er konveksjonsvarmeoverføringskoeffisienten for denne metoden lav og kjøleeffekten begrenset.

(2) Flere kjølekanaler inne i bladet (design med flere hulrom)

Utformingen med flere hulrom øker ikke bare den konvektive varmeoverføringskoeffisienten mellom den kalde luften og den indre overflaten av turbinbladet, men øker også det totale varmevekslingsarealet, øker den interne strømningen og varmevekslingstiden og har en høy kald luft utnyttelsesgrad. Kjøleeffekten kan forbedres ved å fordele den kalde luftstrømmen rimelig. Selvfølgelig har multi-cavity-designet også ulemper. På grunn av den lange sirkulasjonsavstanden for kjøleluft, lite sirkulasjonsareal og flere omdreininger av luftstrømmen, vil strømningsmotstanden øke. Denne komplekse strukturen øker også vanskeligheten med prosessbehandling og gjør kostnadene høyere.

(3)Ribbestruktur forbedrer konvektiv varmeoverføring og spoilersøylekjøling

Hver ribbe i ribbestrukturen fungerer som et strømningsforstyrrende element, som gjør at væsken løsner fra grenselaget og danner virvler med ulik styrke og størrelse. Disse virvlene endrer strømningsstrukturen til væsken, og varmeoverføringsprosessen forbedres betydelig gjennom økningen i væsketurbulens i nærveggområdet og den periodiske masseutvekslingen mellom de store virvlene og hovedstrømmen.

Spoilersøylekjøling er å ha flere rader med sylindriske ribber arrangert på en bestemt måte inne i den indre kjølekanalen. Disse sylindriske ribbene øker ikke bare varmevekslingsområdet, men øker også den gjensidige blandingen av kald luft i forskjellige områder på grunn av forstyrrelsen av strømmen, noe som kan øke varmeoverføringseffekten betydelig.

Filmkjøling

Luftfilmkjøling er å blåse ut kald luft fra hullene eller hullene på den varme overflaten og danne et lag med kald luftfilm på den varme overflaten for å blokkere oppvarmingen av den faste veggen av den varme gassen. Siden kaldluftfilmen blokkerer kontakten mellom hovedluftstrømmen og arbeidsflaten, oppnår den formålet med varmeisolering og korrosjonsforebygging, så noe litteratur kaller også denne kjølemetoden barrierekjøling.

Dysene for filmkjøling er vanligvis runde hull eller rader med runde hull, og noen ganger er de laget til todimensjonale slisser. I faktiske kjølekonstruksjoner er det vanligvis en viss vinkel mellom dysen og overflaten som avkjøles.

Et stort antall studier på sylindriske hull på 1990-tallet viste at blåseforholdet (forholdet mellom den tette strømmen av strålen til hovedstrømmen) vil påvirke den adiabatiske filmkjøleeffekten til en enkelt rad med sylindriske hull betydelig. Etter at den kalde luftstrålen kommer inn i det vanlige området for høytemperaturgass, vil den danne et par forover- og bakoverroterende virvelpar, også kjent som et nyreformet virvelpar. Når blåseluften er relativt høy, vil utstrømningen i tillegg til forovervirvler også danne motroterende virvler. Denne omvendte virvelen vil fange høytemperaturgassen i hovedstrømmen og bringe den til bakkanten av bladpassasjen, og derved redusere filmkjølingseffekten.