Podstawy turbin - Technologia chłodzenia turbin i łopatek

Konstrukcja turbiny o przepływie osiowym

Turbiną jest maszyna obrotowa, która przekształca entalpię roboczej cieczy w energię mechaniczną. Jest jedną z głównych części silników lotniczych, turbin gazowych i turbin parowych. Procedura zamiany energii między turbinami a kompresorami i przepływem powietrza jest przeciwna. Kompresor zużywa energię mechaniczną podczas pracy, a przepływ powietrza zdobywa energię mechaniczną podczas przepływu przez kompresor, co prowadzi do wzrostu ciśnienia i entalpii. Podczas pracy turbiny wydaje się praca z wału turbiny. Część tej pracy wałowej służy do pokonania tarcia w łożyskach i napędzania urządzeń pomocniczych, a reszta jest pochłaniana przez kompresor.

Tutaj omawiane są wyłącznie turbiny o przepływie osiowym. Turbina w silniku gazowym składa się zwykle z wielu etapów, ale statyw (pierścień dyszowy lub przewodnik) znajduje się przed obrotowym wentylatorem. Kanał łopatkowy etapu elementu turbinowego jest zbieżny, a wysokotemperaturowy i wysokociśnieniowy gaz z komory spalania rozpręża się i przyspiesza w nim, podczas gdy turbina wydaje pracę mechaniczną.

Właściwości wymiany ciepła na zewnętrznej powierzchni łopatki turbinowej

Współczynnik wymiany ciepła konwekcyjnej między gazem a powierzchnią łopatki obliczany jest za pomocą wzoru chłodzenia Newtona.

Dla powierzchni naciskowej i powierzchni ssącej, współczynnik konwekcyjnego przekazu ciepła jest największy na przednim kraju łopatki. Gdy warstwa graniczna laminarna stopniowo grubszeje, współczynnik konwekcyjnego przekazu ciepła stopniowo maleje; w punkcie przejścia, współczynnik konwekcyjnego przekazu ciepła nagle wzrasta; po przejściu do warstwy granicznej turbulentnej, gdy warstwa lepka stopniowo grubszeje, współczynnik konwekcyjnego przekazu ciepła stopniowo maleje. Dla powierzchni ssącej, ewentualne odcięcie się przepływu w tylnym odcinku spowoduje nieco zwiększenie współczynnika konwekcyjnego przekazu ciepła.

Chłodzenie przez szok

Chłodzenie przez impingement polega na użyciu jednego lub więcej zimnych strumieni powietrza, które wpadają na gorącą powierzchnię, tworząc silny przepływ cieplny w wyniku konwekcji w obszarze zderzenia. Charakterystyka chłodzenia przez impingement jest taka, że występuje wysoki współczynnik wymiany ciepła na powierzchni ściany w strefie zakłóceń, gdzie strumień zimnego powietrza napotyka powierzchnię, dlatego ten sposób chłodzenia może być stosowany do skoncentrowanego chłodzenia powierzchni.

Chłodzenie wewnętrznego powierzchni krawędzi natarcia łopatki turbinowej to ograniczone przestrzennie chłodzenie przez impingement, a strumień (zimny przepływ powietrza) nie może swobodnie mieszać się z otaczającym powietrzem. Poniżej przedstawiono chłodzenie przez impingement pojedynczego otworu na płaskiej powierzchni docelowej, co stanowi podstawę do badania wpływu przepływu i wymiany ciepła przy impingement.

Przepływ przez pojedyncze otwory pionowego celu płaskiego pokazany jest na powyższym rysunku. Płaski cel jest wystarczająco duży i nie ma obrotu, a na jego powierzchni nie ma innych przepływów krzyżowych płynu. Gdy odległość między dyszem a powierzchnią celu nie jest zbyt bliska, część wyjścia strumienia może być uważana za wolny strumień, czyli sekcję rdzeniową ( ⅰ ) oraz sekcję podstawy ( 2. ) na rysunku. Gdy strumień zbliża się do powierzchni celu, zewnętrzna linia graniczna strumienia zaczyna zmieniać się z linii prostej w krzywą, a strumień wchodzi w strefę skrętu ( ⅲ ), nazywaną również strefą zakrzepu. W strefie zakrzepu strumień dokonuje przejścia od przepływu prostopadłego do powierzchni celu do przepływu równoległego do powierzchni celu. Po zakończeniu 90 ° po skręceniu, wchodzi do strefy przypływającej (IV) następnej sekcji. W strefie przypływającej, ciecz płynie równolegle do powierzchni docelowej, a jej zewnętrzna granica pozostaje linią prostą. Blisko ściany znajduje się ekstremalnie cienka warstwa brzegowa laminarna. Strumień przenosi dużą ilość zimnego powietrza, a prędkość przybycia jest bardzo wysoka. Turbulencja w strefie stagnacji jest również bardzo duża, więc współczynnik wymiany ciepła podczas chłodzenia uderzeniowego jest bardzo wysoki.

Chłodzenie konwekcyjne

（1）Promieniowy bezpośredni kanał chłodzenia wewnątrz łopatki

Powietrze chłodzące przepływa bezpośrednio przez wewnętrzną przestrzeń przewodnika wirującego w kierunku promieniowym, pochłaniając ciepło za pomocą transferu ciepła konwekcyjnego, aby obniżyć temperaturę ciała łopatki. Jednakże, przy określonej ilości powietrza chłodzącego, współczynnik transferu ciepła konwekcyjnego tej metody jest niski, a efekt chłodzenia ograniczony.

(2) Wielokrotne kanały chłodzenia wewnątrz łopatki (projekt wielokawitacyjny)

Projekt o wielu komorach nie tylko zwiększa współczynnik wymiany ciepła konwekcyjnej między zimym powietrzem a wewnętrzną powierzchnią łopatki turbinowej, ale również zwiększa łączną powierzchnię wymiany ciepła, zwiększa wewnętrzną przepływ i czas wymiany ciepła oraz ma wysoki wskaźnik wykorzystania zimnego powietrza. Efekty chłodzenia mogą zostać poprawione przez rozsądne rozłożenie strumienia zimnego powietrza. Oczywiście projekt wielokomorowy ma także wady. Z powodu długiej drogi cyrkulacji chłodzonego powietrza, małej powierzchni cyrkulacji oraz wielu zakrętach strumienia powietrza, opór przepływu wzrośnie. Ta złożona struktura zwiększa również trudność obróbki technologicznej i podnosi koszty.

（3）Struktura żeber zwiększa wymianę ciepła konwekcyjnego i chłodzenie kolumną spoilerów

Każdy żeberko w strukturze żeber działa jako element zaburzający przepływ, powodując odrywanie się płynu od warstwy granicznej i tworzenie wirów o różnych siłach i rozmiarach. Te wiry zmieniają strukturę przepływu płynu, a proces wymiany ciepła jest istotnie wzmacniany poprzez zwiększenie turbulencji płynu w obszarze bliskim ściance oraz okresowe wymiany masy między dużymi wirami a mainstreamem.

Chłodzenie kolumną spoilerową polega na ułożeniu wielu rzędów cylindrycznych żeber w określony sposób wewnątrz wewnętrznego kanału chłodzenia. Te żeberka nie tylko zwiększają powierzchnię wymiany ciepła, ale również wzmagają wzajemne mieszanie zimnego powietrza w różnych obszarach ze względu na zaburzenia przepływu, co znacząco zwiększa efektywność wymiany ciepła.

Chłodzenie filmowe

Chłodzenie filmowe polega na wyduszaniu zimnego powietrza z otworów lub szczelin na gorącej powierzchni, tworząc warstwę zimnego powietrza na tej powierzchni, aby uniemożliwić nagrzanie ścianki stałej przez gorący gaz. Ponieważ warstwa zimnego powietrza blokuje kontakt między głównym strumieniem powietrza a pracującą powierzchnią, osiągana jest celowość izolacji termicznej i zapobiegania korozji, dlatego niektóre publikacje nazywają tę metodę chłodzenia chłodzeniem barierowym.

Dysze chłodzenia filmowego są zwykle otworami okrągłymi lub szeregami otworów okrągłych, a czasem wykonuje się je w postaci dwuwymiarowych szpar. W rzeczywistych konstrukcjach chłodzących zazwyczaj istnieje pewien kąt między dyszą a chłodzoną powierzchnią.

Wielu badań nad wiertami cylindrycznymi w latach 90. pokazało, że współczynnik wydmuchiwania (stosunek gęstej strumynek do mainstreamu) znacząco wpływa na efekt adiabatycznego chłodzenia filmowego pojedynczego rzędu otworów cylindrycznych. Po wejściu zimnego powietrza do mainstrumieniowej strefy wysokotemperaturowych gazów powstaje para wirów obracających się w przód i wstecz, zwana również parą wirów w kształcie nerki. Gdy prędkość wydmuchiwania jest stosunkowo wysoka, oprócz wirów przódowych, strumień wyjściowy tworzy również wiry przeciwnie obracające. Te wiry przeciwnego kierunku uwięzają wysokotemperaturowe gazy z mainstreamu i przynoszą je do krawędzi tylnego przejścia między łopatkami, co zmniejsza efektywność chłodzenia filmowego.