Podstawy turbin - technologia chłodzenia turbin i łopatek Polska

Struktura turbiny przepływowej osiowej

Turbina to obrotowa maszyna energetyczna, która zamienia entalpię cieczy roboczej na energię mechaniczną. Jest jednym z głównych elementów silników lotniczych, turbin gazowych i turbin parowych. Konwersja energii między turbinami i sprężarkami oraz przepływem powietrza przebiega odwrotnie. Sprężarka zużywa energię mechaniczną, gdy pracuje, a przepływ powietrza zyskuje energię mechaniczną, gdy przepływa przez sprężarkę, a ciśnienie i entalpia wzrastają. Gdy turbina pracuje, praca wału jest wyprowadzana z wału turbiny. Część pracy wału jest wykorzystywana do pokonania tarcia na łożyskach i napędzania akcesoriów, a reszta jest absorbowana przez sprężarkę.

Tutaj omawiane są tylko turbiny o przepływie osiowym. Turbina w silniku turbiny gazowej zwykle składa się z wielu stopni, ale stojan (pierścień dyszy lub prowadnica) znajduje się przed obracającym się wirnikiem. Kanał łopatkowy stopnia elementu turbiny jest zbieżny, a gaz o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu z komory spalania rozszerza się i przyspiesza w nim, podczas gdy turbina wytwarza pracę mechaniczną.

Charakterystyka wymiany ciepła zewnętrznej powierzchni łopatki turbiny

Współczynnik konwekcyjnego przekazywania ciepła między gazem a powierzchnią łopatki oblicza się przy użyciu wzoru chłodzenia Newtona.

Dla powierzchni docisku i powierzchni ssania współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła jest najwyższy na przedniej krawędzi łopatki. W miarę jak warstwa graniczna laminarna stopniowo się pogrubia, współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła stopniowo maleje; w punkcie przejściowym współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła nagle wzrasta; po przejściu do turbulentnej warstwy granicznej, w miarę jak lepka warstwa dolna stopniowo się pogrubia, współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła stopniowo maleje. W przypadku powierzchni ssania, rozdzielenie przepływu, które może wystąpić w tylnej części, spowoduje nieznaczny wzrost współczynnika konwekcyjnego przenoszenia ciepła.

Chłodzenie szokowe

Chłodzenie uderzeniowe polega na użyciu jednego lub więcej strumieni zimnego powietrza do uderzenia w gorącą powierzchnię, tworząc silny konwekcyjny transfer ciepła w obszarze uderzenia. Cechą charakterystyczną chłodzenia uderzeniowego jest wysoki współczynnik transferu ciepła na powierzchni ściany obszaru stagnacji, w którym uderza strumień zimnego powietrza, więc ta metoda chłodzenia może być stosowana do zastosowania skupionego chłodzenia na powierzchni.

Chłodzenie uderzeniowe wewnętrznej powierzchni przedniej krawędzi łopatki turbiny jest chłodzeniem uderzeniowym o ograniczonej przestrzeni, a strumień (strumień zimnego powietrza) nie może swobodnie mieszać się z otaczającym powietrzem. Poniżej przedstawiono chłodzenie uderzeniowe tarczy płaskiej z jednym otworem, co stanowi podstawę badania wpływu przepływu uderzeniowego i wymiany ciepła.

Przepływ pionowego celu uderzeniowego z pojedynczym otworem pokazano na powyższym rysunku. Cel płaski jest wystarczająco duży i nie obraca się, a na powierzchni nie ma żadnego innego płynu o przepływie krzyżowym. Gdy odległość między dyszą a powierzchnią docelową nie jest bardzo mała, część wylotu strumienia można uznać za swobodny strumień, mianowicie część rdzenia (ⅰ) i sekcję bazową (Ⅱ) na rysunku. Gdy strumień zbliża się do powierzchni docelowej, zewnętrzna linia graniczna strumienia zaczyna zmieniać się z linii prostej na krzywą, a strumień wkracza w strefę skrętu (Ⅲ), nazywaną również strefą stagnacji. W strefie stagnacji strumień kończy przejście z przepływu prostopadłego do powierzchni docelowej do przepływu równoległego do powierzchni docelowej. Po zakończeniu przez strumień ruchu pod kątem 90°° obrót, wchodzi do strefy strumienia ściennego (IV) następnej sekcji. W strefie strumienia ściennego ciecz płynie równolegle do powierzchni docelowej, a jej granica zewnętrzna pozostaje linią prostą. W pobliżu ściany znajduje się niezwykle cienka laminarna warstwa graniczna. Strumień niesie dużą ilość zimnego powietrza, a prędkość przylotu jest bardzo wysoka. Turbulencja w strefie stagnacji jest również bardzo duża, więc współczynnik przenikania ciepła chłodzenia uderzeniowego jest bardzo wysoki.

Chłodzenie konwekcyjne

（1）Promieniowy kanał chłodzenia bezpośredniego wewnątrz ostrza

Powietrze chłodzące przepływa bezpośrednio przez wewnętrzną wnękę łopatki kierującej w kierunku promieniowym, pochłaniając ciepło poprzez konwekcyjny transfer ciepła w celu obniżenia temperatury korpusu łopatki. Jednak w warunkach określonej objętości powietrza chłodzącego współczynnik konwekcyjnego transferu ciepła tej metody jest niski, a efekt chłodzenia jest ograniczony.

(2) Wiele kanałów chłodzących wewnątrz ostrza (konstrukcja wielokomorowa)

Konstrukcja wielokomorowa nie tylko zwiększa współczynnik konwekcyjnego przenoszenia ciepła między zimnym powietrzem a wewnętrzną powierzchnią łopatki turbiny, ale także zwiększa całkowitą powierzchnię wymiany ciepła, zwiększa przepływ wewnętrzny i czas wymiany ciepła oraz ma wysoki współczynnik wykorzystania zimnego powietrza. Efekt chłodzenia można poprawić, rozsądnie rozprowadzając przepływ zimnego powietrza. Oczywiście konstrukcja wielokomorowa ma również wady. Ze względu na długą odległość cyrkulacji powietrza chłodzącego, małą powierzchnię cyrkulacji i wiele zakrętów przepływu powietrza, opór przepływu wzrośnie. Ta złożona struktura zwiększa również trudność przetwarzania procesu i podnosi koszty.

(3)Żebrowana struktura poprawia konwekcyjne przenoszenie ciepła i chłodzenie kolumny spoilera

Każde żebro w strukturze żeber działa jako element zakłócający przepływ, powodując oderwanie się płynu od warstwy granicznej i utworzenie wirów o różnej sile i rozmiarach. Wiry te zmieniają strukturę przepływu płynu, a proces wymiany ciepła jest znacznie wzmocniony poprzez zwiększenie turbulencji płynu w obszarze przyściennym i okresową wymianę masy między dużymi wirami a głównym nurtem.

Chłodzenie kolumny spoilera polega na użyciu wielu rzędów cylindrycznych żeber ułożonych w określony sposób wewnątrz wewnętrznego kanału chłodzącego. Te cylindryczne żebra nie tylko zwiększają powierzchnię wymiany ciepła, ale także zwiększają wzajemne mieszanie się zimnego powietrza w różnych obszarach z powodu zakłócenia przepływu, co może znacznie zwiększyć efekt wymiany ciepła.

Chłodzenie folii

Chłodzenie filmem powietrznym polega na wydmuchiwaniu zimnego powietrza z otworów lub szczelin na gorącej powierzchni i tworzeniu warstwy zimnego filmu powietrznego na gorącej powierzchni, aby zablokować nagrzewanie się stałej ściany przez gorący gaz. Ponieważ zimny film powietrzny blokuje kontakt między głównym przepływem powietrza a powierzchnią roboczą, osiąga cel izolacji cieplnej i zapobiegania korozji, dlatego w niektórych publikacjach tę metodę chłodzenia nazywa się również chłodzeniem barierowym.

Dysze chłodzenia folii są zazwyczaj okrągłymi otworami lub rzędami okrągłych otworów, a czasami są wykonane w postaci dwuwymiarowych szczelin. W rzeczywistych strukturach chłodzących, zwykle istnieje pewien kąt między dyszą a chłodzoną powierzchnią.

Duża liczba badań nad otworami cylindrycznymi w latach 1990. XX wieku wykazała, że ​​współczynnik nadmuchu (stosunek gęstego przepływu strumienia do głównego strumienia) znacząco wpłynie na efekt chłodzenia adiabatycznego pojedynczego rzędu otworów cylindrycznych. Po wejściu strumienia zimnego powietrza do głównego strumienia gazu o wysokiej temperaturze utworzy on parę par wirowych obracających się do przodu i do tyłu, znanych również jako para wirowa w kształcie nerki. Gdy nadmuch powietrza jest stosunkowo wysoki, oprócz wirów do przodu, wypływ utworzy również wiry obracające się w przeciwnych kierunkach. Ten odwrotny wir uwięzi gaz o wysokiej temperaturze w głównym strumieniu i doprowadzi go do krawędzi spływu przejścia łopatki, zmniejszając w ten sposób efekt chłodzenia filmu.