Grunnleggende om turbine - Turbin- og bladkjølingsteknologi

Aksialstrømsturbinstruktur

En turbine er en rotasjonell kraftmaskin som omformer entalpien til et arbeidsmedium til mekanisk energi. Den er en av de hovedsaklige komponentene i flymotorer, gass-turbiner og damp-turbiner. Energiovergangen mellom turbiner og kompressorer og luftstrømmen skjer motsatt. Kompressoren forbruker mekanisk energi når den kjører, og luftstrømmen får mekanisk energi når den strømmer gjennom kompressoren, og trykket og entalpien øker. Når turbinen kjører, produseres aksearbeid fra turbinaksen. En del av aksearbeidet brukes til å overvinne friksjonen på jernbærerne og drive tilbehør, mens resten tas opp av kompressoren.

Kun aksialstrømninger behandles her. Turbinen i en gass turbine er vanligvis sammensatt av flere trinn, men statoren (nozzle ring eller guide) ligger foran den rotende impelleren. Bladkanalen i turbinselementets trinn er konvergent, og det høytemperaturige og høytrykkige gassen fra forbreningskammeret ekspanderer og akcelerer i denne, mens turbinen produserer mekanisk arbeid.

Varmeoverføringsegenskaper for ytesiden av turbinsbladet

Den konvektive varmeoverføringskoeffisienten mellom gassen og bladeoverflaten beregnes ved å bruke Newtons kjølingformel.

For trykkflaten og sugningsflaten er den konvektive varmeoverføringskoeffisienten høyest ved bladets forspiss. Mens laminar grenseslaget gradvis tykkes ut, reduseres den konvektive varmeoverføringskoeffisienten; ved overgangspunktet øker den konvektive varmeoverføringskoeffisienten plutselig; etter overgang til turbulent grenseslag, mens den viskøse bunnlagsgradvis tykkes ut, reduseres den konvektive varmeoverføringskoeffisienten. For sugningsflaten vil eventuell strømfrakking i bakre delen føre til en liten økning i den konvektive varmeoverføringskoeffisienten.

Sokkelkjøling

Impingementkjøling er å bruke en eller flere kalde luftstrømmer for å ramme den varme overflaten, noe som skaper en sterkt konvektiv varmetransfer i rammedområdet. Karakteristikkene ved impingementkjøling er at det finnes en høy varmetransferekoeffisient på veggoverflaten i stagnasjonsområdet hvor den kalde luftstrømmen rammer, så denne kjølingsmetoden kan brukes til å gi fokusert kjøling av overflaten.

Impingementkjøling av den indre overflaten av ledgyngen på turbinbladet er en begrenset romlig impingementkjøling, og strålen (kalde luftstrømmen) kan ikke blande seg fritt med omgivende luft. Følgende introducerer impingementkjøling av et enkelt-hull plan mål, som er grunnlaget for å studere innvirkningen av impingementstrøm og varmetransfer.

Strømmen av et enkelt-åpning vertikalt impaktsplanet vises i figuren ovenfor. Planet er stort nok og har ingen rotasjon, og det finnes ingen annen tversstrømende væske på overflaten. Når avstanden mellom duken og planetoverflaten ikke er veldig nær, kan en del av stråleutgangen betraktes som en fri stråle, nemlig kjernen ( Ⅰ ) og grunnseksjonen ( Ⅱ ) i figuren. Når strålen nærmer seg planetoverflaten, begynner den ytre grensen av strålen å endre seg fra en rett linje til en kurve, og strålen går inn i vendingsonen ( Ⅲ ), også kalt stagnasjonszonen. I stagnasjonszonen fullfører strålen overgangen fra en strøm som er vinkelrett på planetoverflaten til en strøm som er parallelle med planetoverflaten. Etter at strålen har fullført en 90 ° Når det snur, går det inn i veggestrømsområdet (IV) av den neste seksjonen. I veggestrømsområdet flyter væsken parallellet med målflaten, og dens ytre grense forblir en rett linje. nær veggen er det en ekstremt tynd laminar grensesone. Strålet bærer med seg et stort mengde kalt luft, og ankomstfarten er veldig høy. Turbulensene i stagnasjonsområdet er også veldig store, så varmeoverføringskoeffisienten for impaktkjøling er veldig høy.

Konveksjonskjøling

(1) Radial direkte kjølingskanal inne i bladet

Kjølingsluften strømmer direkte gjennom den indre hullrommet til veivognen i radial retning, absorberer varme gjennom konvektiv varmeoverføring for å redusere temperaturen på bladlegemet. Likevel, under betingelsen av en bestemt mengde kjølingsluft, er konvektiv varmeoverføringskoeffisienten for denne metoden lav og kjøleffekten er begrenset.

(2) Flere kjølingskanaler inne i bladet (flerhull design)

Flerhulvedesignet øker ikke bare konvektiv varmeoverføringskoeffisienten mellom den kalde lufta og den indre overflaten av turbinbladen, men øker også den totale varmevekslingsarealet, øker den interne strømmen og varmevekslingstiden, og har en høy utnyttelsesgrad av kalde luft. Avkjølingseffekten kan forbedres ved å fordele kalde luftstrømmen på en rimelig måte. Selvsagt har flerehulvedesignet også nedsides. Grunnet den lange kjølingssirkulasjonsavstanden, den lille sirkulasjonsarealet og de mange svingene i luftstrømmen, vil strømninger motstand øke. Denne komplekse strukturen øker også vanskelighetsgraden av prosessbehandling og gjør kostnadene høyere.

（3）Ribbestruktur forsterker konvektiv varmeoverføring og spoiler kolonnekjøling

Hver ribbe i ribbstrukturen fungerer som et strømingsforstyrrelseselement, noe som forårsaker at fluiden løser seg fra grenses laget og former vifter med forskjellige styrker og størrelser. Disse viftene endrer strukturen på fluidens strømning, og varmeoverføringsprosessen økes betydelig gjennom økningen i fluidturbulens nær veggen og den periodiske masseutvekslingen mellom de store viftene og hovedstrømmen.

Spoilarkolonnekjøling består i å ha flere rader av sylinderriber plassert på en bestemt måte inni den indre kjølingskanalen. Disse sylinderriberne øker ikke bare varmevekslingsarealet, men også den mutualle blandinga av kyltluft i ulike områder grunnet strømingsforstyrrelsen, hvilket kan øke varmeoverføringseffekten betydelig.

Filmkjøling

Filmkjøling med luft består i å blåse ut kald luft gjennom hull eller sprukker på den varme overflaten og danner et lag av kald luftfilm på den varme overflaten for å blokkere oppvarmingen av fast vegg av varm gass. Ettersom den kalde luftfilmen blokkerer kontakten mellom hovedluftstrømmen og arbeidsflaten, oppnår den formålet med isolering og korrosjonsforebygging, så noen artikler kaller også denne kjølingsmetoden for barrierekjøling.

Filmskjølingsdukkene er vanligvis runde hull eller rader av runde hull, og noen ganger lages de til to-dimensjonale spor. I faktiske kjølingsstrukturer er det vanligvis en viss vinkel mellom dukken og den kjølte overflaten.

Et stort antall studier om sylinderformete hull i 1990-årene viste at blåsningsforholdet (forholdet mellom den tetthetsmessige strømmen fra strålingen og hovedstrømmen) vil påvirke adiabatisk filmkjølingseffekt av en enkelt rad med sylinderformete hull veldig mye. Når det kalte luftstrålet kommer inn i hovedområdet med høytemperert gass, vil det danne et par med forover- og bakoverroterende virvelpar, også kjent som nyrervirvelpar. Når blåsingen er relativt høy, vil utstrømmingen i tillegg til forovervirkende virvler også danne motroterende virvler. Disse motsatte virvlingene vil fange opp høytemperert gass fra hovedstrømmen og føre den til etterkant av bladpassasjen, noe som reduserer filmkjølingseffekten.