Noções Básicas de Turbina - Tecnologia de Resfriamento de Turbina e Lâmina

Estrutura de turbina de fluxo axial

Uma turbina é uma máquina de potência rotativa que converte a entalpia de um fluido de trabalho em energia mecânica. É um dos principais componentes dos motores de aeronaves, turbinas a gás e turbinas a vapor. A conversão de energia entre turbinas e compressores e o fluxo de ar é oposta no procedimento. O compressor consome energia mecânica quando está em funcionamento, e o fluxo de ar ganha energia mecânica ao passar pelo compressor, aumentando a pressão e a entalpia. Quando a turbina está em funcionamento, o trabalho do eixo é gerado pelo eixo da turbina. Parte do trabalho do eixo é usada para superar a fricção nos rolamentos e acionar os acessórios, e o restante é absorvido pelo compressor.

Aqui são discutidas apenas turbinas de fluxo axial. A turbina em um motor a gás geralmente é composta por várias etapas, mas o estator (anel de bico ou guia) está localizado à frente do impelidor rotativo. O canal de lâmina da etapa do elemento da turbina é convergente, e o gás de alta temperatura e alta pressão do quarto de combustão se expande e acelera nele, enquanto a turbina produz trabalho mecânico.

Características de transferência de calor da superfície externa da pás da turbina

O coeficiente de transferência de calor convectivo entre o gás e a superfície da pás é calculado usando a fórmula de resfriamento de Newton.

Para a superfície de pressão e a superfície de sucção, o coeficiente de transferência de calor convectivo é o mais alto na borda de ataque da lâmina. À medida que a camada limite laminar se espessa gradualmente, o coeficiente de transferência de calor convectivo diminui gradualmente; no ponto de transição, o coeficiente de transferência de calor convectivo aumenta repentinamente; após a transição para a camada limite turbulenta, à medida que a camada viscosa inferior se espessa gradualmente, o coeficiente de transferência de calor convectivo diminui gradualmente. Para a superfície de sucção, a separação de fluxo que pode ocorrer na seção traseira fará com que o coeficiente de transferência de calor convectivo aumente ligeiramente.

Resfriamento por Choque

Resfriamento por impacto consiste em usar um ou mais jatos de ar frio para atingir a superfície quente, formando uma transferência de calor por convecção forte na área de impacto. A característica do resfriamento por impacto é que há um coeficiente de transferência de calor alto na superfície da parede na área de estagnação onde o fluxo de ar frio impacta, então este método de resfriamento pode ser usado para aplicar resfriamento focalizado à superfície.

O resfriamento por impacto da superfície interna da borda de ataque da pás do turbina é um resfriamento por impacto em espaço limitado, e o jato (fluxo de ar frio) não pode se misturar livremente com o ar ao redor. A seguir, introduzimos o resfriamento por impacto de um alvo plano de único orifício, que é a base para estudar o impacto do fluxo de impacto e a transferência de calor.

O fluxo de um alvo plano de impacto vertical com um único orifício é mostrado na figura acima. O alvo plano é grande o suficiente e não possui rotação, e não há nenhum outro fluido de corrente cruzada na superfície. Quando a distância entre a boca e a superfície do alvo não está muito próxima, uma seção da saída do jato pode ser considerada como um jato livre, ou seja, a seção de núcleo ( ⅰ ) e a seção de base ( ⅱ ) na figura. Quando o jato se aproxima da superfície do alvo, a linha de contorno externa do jato começa a mudar de uma linha reta para uma curva, e o jato entra na zona de inversão ( ⅲ ), também chamada de zona de estagnação. Na zona de estagnação, o jato completa a transição de um fluxo perpendicular à superfície do alvo para um fluxo paralelo à superfície do alvo. Após o jato completar 90 ° ao girar, entra na zona de jato de parede (IV) da próxima seção. Na zona de jato de parede, o fluido flui paralelamente à superfície alvo, e sua fronteira externa permanece como uma linha reta. Próximo à parede há uma camada limite laminar extremamente fina. O jato transporta uma grande quantidade de ar frio, e a velocidade de chegada é muito alta. A turbulência na zona de estagnação também é muito grande, portanto, o coeficiente de transferência de calor do resfriamento por impacto é muito alto.

Resfriamento por Convecção

（1）Canal de resfriamento direto radial dentro da lâmina

O ar de resfriamento flui diretamente através da cavidade interna da guia de vãos na direção radial, absorvendo calor por meio de transferência de calor por convecção para reduzir a temperatura do corpo da lâmina. No entanto, sob a condição de um volume de ar de resfriamento determinado, o coeficiente de transferência de calor por convecção deste método é baixo e o efeito de resfriamento é limitado.

(2) Múltiplos canais de resfriamento dentro da lâmina (projeto multicâmara)

O design multicâmara não só aumenta o coeficiente de transferência de calor convectivo entre o ar frio e a superfície interna da pás do turbina, mas também aumenta a área total de troca de calor, aumenta o fluxo interno e o tempo de troca de calor, e possui uma alta taxa de utilização de ar frio. O efeito de resfriamento pode ser melhorado distribuindo razoavelmente o fluxo de ar frio. No entanto, o design multicâmara também tem desvantagens. Devido à longa distância de circulação do ar de resfriamento, à pequena área de circulação e às múltiplas curvas do fluxo de ar, a resistência ao fluxo aumentará. Essa estrutura complexa também aumenta a dificuldade do processamento e faz com que o custo seja mais elevado.

（3）A estrutura de nervuras melhora a transferência de calor convectivo e a coluna de resfriamento por spoilers

Cada nervura na estrutura de nervuras atua como um elemento de perturbação do fluxo, fazendo com que o fluido se desprenda da camada limite e forme vórtices com diferentes intensidades e tamanhos. Esses vórtices alteram a estrutura do fluxo do fluido, e o processo de transferência de calor é significativamente melhorado pelo aumento da turbulência do fluido na área próxima à parede e pela troca periódica de massa entre os grandes vórtices e o fluxo principal.

O resfriamento por coluna de spoiler consiste em ter várias fileiras de nervuras cilíndricas dispostas de uma certa maneira dentro do canal de resfriamento interno. Essas nervuras cilíndricas não apenas aumentam a área de troca de calor, mas também aumentam a mistura mútua do ar frio em diferentes áreas devido à perturbação do fluxo, o que pode aumentar significativamente o efeito de transferência de calor.

Resfriamento por Filme

Resfriamento por filme de ar consiste em soprar ar frio pelos orifícios ou fendas na superfície quente, formando uma camada de ar frio sobre a superfície quente para bloquear o aquecimento da parede sólida pelo gás quente. Como o filme de ar frio impede o contato entre o fluxo principal de ar e a superfície de trabalho, ele alcança o objetivo de isolamento térmico e prevenção de corrosão; por isso, algumas publicações também chamam esse método de resfriamento de 'resfriamento de barreira'.

Os bicos de resfriamento por filme geralmente são orifícios redondos ou fileiras de orifícios redondos, e às vezes são feitos em fendas bidimensionais. Em estruturas de resfriamento reais, geralmente há um certo ângulo entre o bico e a superfície resfriada.

Um grande número de estudos sobre orifícios cilíndricos na década de 1990 mostrou que a razão de sopragem (a relação entre o fluxo denso do jato e o fluxo principal) afetará significativamente o efeito de resfriamento por filme adiabático de uma única fileira de orifícios cilíndricos. Após o jato de ar frio entrar na área de gás de alta temperatura do fluxo principal, ele formará um par de vórtices rotativos para frente e para trás, também conhecido como par de vórtices em forma de rim. Quando o ar soprado é relativamente alto, além de vórtices para frente, o fluxo de saída também formará vórtices contrarrotativos. Este vórtice reverso prenderá o gás de alta temperatura no fluxo principal e o levará à borda de tração da passagem da lâmina, reduzindo assim o efeito de resfriamento por filme.