Bazele Turbinelor - Tehnologia de Răcire a Turbinelor și Aripilor

Structura turbinei cu flux axial

O turbină este o mașină rotativă de putere care convertește entalpia unui fluid de lucru în energie mecanică. Este una dintre componentele principale ale motorilor de avion, turbinelor cu gaz și turbinelor cu abur. Conversia energetică între turbine și compresori și fluxul de aer este opusă în procedură. Compresorul consumă energie mecanică când funcționează, iar fluxul de aer câștigă energie mecanică când trece prin compresor, creșcând presiunea și entalpia. Când turbină funcționează, munca se transmite pe axă din axa turbinei. O parte din această muncă se folosește pentru a depăși frecarea la șercuri și pentru a acciona accesorii, iar restul este absorbționat de compresor.

Aici se discută doar turbinile cu flux axial. Turbina dintr-un motor cu turbină gaz este de obicei compusă din mai multe etape, dar statorul (inelul de uzura sau ghidul) este situat în fața impelantei rotitoare. Canalul de lame al etapei elementare a turbinei este convergent, iar gazul la înaltă temperatură și presiune ridicată din cameră de combustie se expandă și se accelerează în el, în timp ce turbina produce muncă mecanică.

Caracteristici de transfer de căldură ale suprafeței externe a lamei de turbina

Coeficientul de transfer de căldură prin convecție între gaz și suprafața lamei este calculat folosind formula răcirei Newton.

Pentru suprafața de presiune și suprafața de sușoare, coeficientul de transfer al calorii prin convecție este cel mai mare la marginea anterioară a lamei. Pe măsură ce stratul limită laminar se împățește treptat, coeficientul de transfer al calorii prin convecție scade treptat; la punctul de tranziție, coeficientul de transfer al calorii prin convecție crește brusc; după tranziția la stratul limită turbulent, pe măsură ce stratul vizcos de jos se împățește treptat, coeficientul de transfer al calorii prin convecție scade treptat. Pentru suprafața de sușoare, separarea curgerii care poate avea loc în secțiunea din spate va provoca o creștere ușoară a coeficientului de transfer al calorii prin convecție.

Răcire cu şocuri

Răcirea prin impingement implică utilizarea unuia sau mai multor jeturi de aer rece care să impacteze suprafața caldă, formând o transferă puternică de cumpărare a căldurii în zona de impact. Caracteristica răcirii prin impingement este aceea că există un coeficient ridicat de transfer al căldurii pe suprafața peretelui din zona de stagnație unde curgerea de aer rece impactează, astfel că această metodă de răcire poate fi folosită pentru a aplica o răcire concentrată suprafeței.

Răcirea prin impingement a suprafeței interne a marginii anterioare a palei turbinei este o răcire prin impingement într-un spațiu limitat, iar jetul (curgere de aer rece) nu se poate amesteca liber cu aerul înconjurător. Următoarele introduc răcirea prin impingement a unei țintă plane cu un singur gaură, care reprezintă baza pentru studierea impactului curgerii prin impingement și transferului de căldură.

Fluxul unui obiectiv plan cu impact vertical cu un singur gaură este ilustrat în figura de mai sus. Obiectivul plan este suficient de mare și nu are rotație, iar pe suprafață nu există niciun alt fluid în curgere transversală. Când distanța dintre difuzor și suprafața obiectivului nu este prea apropiată, o secțiune a ieșirii jetului poate fi considerată un jet liber, adică secțiunea de core ( ⅰ ) și secțiunea de bază ( ⅱ ) din figură. Când jetul se apropie de suprafața obiectivului, linia frontieră exterioară a jetului începe să se schimbe de la o linie dreaptă la o curbă, iar jetul intră în zona de întoarcere ( ⅲ ), denumită și zona de stagnație. În zona de stagnație, jetul completează tranziția de la o curgere perpendiculară suprafeței obiectivului la o curgere paralelă cu această suprafață. După ce jetul finalizează unghiul de 90 ° la întoarcere, aceasta intră în zona jetului de perete (IV) a secțiunii următoare. În zona jetului de perete, lichidul curge paralel cu suprafața țintă, iar limita sa exterioară rămâne o linie dreaptă. Lângă perete există o stratificare laminară extrem de subțire. Jetul transportă o cantitate mare de aer rece, iar viteza de ajungere este foarte ridicată. Turbulența în zona de stagnație este de asemenea foarte mare, astfel că coeficientul de transfer de caldura al răcindului prin impact este foarte ridicat.

Răcire prin Convecție

(1) Canal de răcire direct radial în interiorul lamei

Aerul de răcire curge direct prin cavitatea internă a vanei de conducere în direcția radială, absorbând căldură prin transfer de convecție pentru a reduce temperatura corpului lamei. Cu toate acestea, în condițiile unei cantități fixe de aer de răcire, coeficientul de transfer de convecție al acestei metode este scăzut și efectul de răcire este limitat.

(2) Mai multe canale de răcire în interiorul lamei (design multicavită)

Proiectarea multicavernă nu numai că crește coeficientul de transfer al căldurii prin convecție între aerul rece și suprafața interioară a palei turbinei, dar crește și suprafața totală de schimb de căldură, crește timpul de scurgere și schimb de căldură intern, având o rată ridicată de utilizare a aerului rece. Efectul de răcire poate fi îmbunătățit prin distribuția rațională a fluxului de aer rece. Desigur, proiectarea multicavernă are și dezavantaje. Datorită distanței mari de circulație a aerului de răcire, zonei mici de circulație și numerelor mari de curbe ale fluxului de aer, rezistența la scurgere va crește. Această structură complexă crește și dificultatea de procesare a procedurilor, făcând ca costurile să fie mai ridicate.

（3）Structura cu nervuri îmbunătățește transferul de căldură prin convecție și răcirea coloanelor spoiler

Fiecare costă din structura de coste acționează ca un element de perturbare a curgerii, determinând lichidul să se desprindă de stratul limită și să formeze vorți cu diferite puteri și dimensiuni. Aceste vorți schimbă structura curgerii a lichidului, iar procesul de transfer de căldură este semnificativ îmbunătățit prin creșterea turbulenței lichidului în zona apropiată de perete și prin schimbul periodic de masă între vorți mari și curentul principal.

Răcirea prin coloane spoiler implică așezarea multiplelor rânduri de coste cilindrice într-un anumit mod în canalul intern de răcire. Aceste coste cilindrice nu doar că măresc suprafața de schimb termic, dar și cresc amestecul reciproc al aerului rece din diferite zone, datorită perturbării curgerii, ceea ce poate mări semnificativ efectul de transfer de căldură.

Răcire prin film

Răcirea cu film de aer implică expulsarea aerului rece prin găuri sau intervale pe suprafața caldă, formând un strat de film de aer rece pe suprafața caldă pentru a bloca încălzirea peretelui solid de către gazele calde. Deoarece filmul de aer rece blochează contactul dintre curentul principal de aer și suprafața de lucru, se atinge scopul izolării termice și prevenirii coroziunii, motiv pentru care unele publicații denumesc această metodă de răcire ca răcire prin bariere.

Ușoarele de răcire cu film sunt de obicei găuri rotunde sau randuri de găuri rotunde, iar uneori sunt fabricate sub formă de goluri bidimensionale. În structurile de răcire reale, există de regulă un anumit unghi între ușoară și suprafața răcorită.

Un număr mare de studii despre găuri cilindrice din anii '90 au arătat că raportul de suflare (raportul dintre fluxul dens al jetului și fluxul principal) va afecta semnificativ efectul de răcire prin film adiabatic al unei singure rânduri de găuri cilindrice. După ce jetul de aer rece pătrunde în zona de gazuri mari la temperaturi ridicate din fluxul principal, se formează un cuplu de vorțiuge care rotesc în sens direct și invers, cunoscute și sub numele de vorțiugile renumite de tip „rinsă”. Când aerul suflat este relativ ridicat, pe lângă vorțiugile directe, suflarea va forma și vorțiuge contrarotative. Această vorțiugă inversă va prinde gazele la temperaturi ridicate din fluxul principal și le va duce spre marginea de spate a canalului de lamă, reducând astfel efectul de răcire prin film.