Основы турбины - Технология охлаждения турбины и лопаток

Структура осевого турбоколеса

Турбина — это вращающаяся машина, преобразующая энтальпию рабочей жидкости в механическую энергию. Она является одним из основных компонентов авиадвигателей, газовых турбин и паровых турбин. Процесс преобразования энергии между турбинами и компрессорами противоположен по процедуре. Компрессор потребляет механическую энергию при работе, и поток воздуха получает механическую энергию, проходя через компрессор, увеличиваясь в давлении и энтальпии. Когда турбина работает, работа передается через вал турбины. Часть этой работы используется для преодоления трения в подшипниках и привода вспомогательного оборудования, а остальная часть поглощается компрессором.

Здесь обсуждаются только осевые турбины. Турбина в газотурбинном двигателе обычно состоит из нескольких ступеней, но статор (форсуночный кольцевой или направляющий аппарат) находится перед вращающимся импеллером. Канал лопатки ступени турбины сходящийся, и высокотемпературный, высокодавленый газ из камеры сгорания расширяется и ускоряется в нем, в то время как турбина выдает механическую работу.

Теплообменные характеристики внешней поверхности лопасти турбины

Коэффициент конвективного теплообмена между газом и поверхностью лопасти рассчитывается с использованием формулы охлаждения Ньютона.

Для давящей поверхности и всасывающей поверхности коэффициент конвективного теплообмена максимальный у передней кромки лопасти. По мере постепенного увеличения толщины ламинарного пограничного слоя, коэффициент конвективного теплообмена постепенно уменьшается; в точке перехода коэффициент конвективного теплообмена внезапно возрастает; после перехода к турбулентному пограничному слою, по мере постепенного увеличения толщины вязкой нижней части слоя, коэффициент конвективного теплообмена постепенно уменьшается. Для всасывающей поверхности возможная отрывная зона потока в задней секции может вызвать небольшое увеличение коэффициента конвективного теплообмена.

Шоковая охлаждающая система

Охлаждение импингментом предполагает использование одного или нескольких холодных воздушных струй, воздействующих на горячую поверхность, создавая интенсивный конвективный теплообмен в зоне удара. Характерной особенностью охлаждения импингментом является высокий коэффициент теплоотдачи на стенке в зоне застоя, где холодный воздушный поток ударяет, поэтому этот метод охлаждения может использоваться для направленного охлаждения поверхности.

Охлаждение импингментом внутренней поверхности передней кромки лопасти турбины представляет собой ограниченное пространственное охлаждение импингментом, и струя (холодный воздушный поток) не может свободно смешиваться с окружающим воздухом. Ниже рассматривается охлаждение импингментом однорычажной плоской цели, что является основой для изучения влияния импингментного потока и теплообмена.

Поток через одинарное вертикальное отверстие, попадающий на плоскую мишень, показан на приведенной выше схеме. Плоская мишень достаточно велика, не имеет вращения, и на её поверхности отсутствует какой-либо другой поперечный поток жидкости. Когда расстояние между соплом и поверхностью мишени не очень близко, часть выходящего из сопла струя можно рассматривать как свободную струю, а именно центральную часть ( ⅰ ) и базовую часть ( ⅱ ) на рисунке. Когда струя приближается к поверхности мишени, внешняя граница струи начинает меняться от прямой линии к кривой, и струя входит в зону поворота ( ⅲ ), также называемую зоной застоя. В зоне застоя струя завершает переход от потока, перпендикулярного поверхности мишени, к потоку, параллельному поверхности мишени. После того как струя завершает поворот на 90 ° поворачиваясь, он входит в зону пристенной струи (IV) следующего участка. В зоне пристенной струи жидкость течет параллельно целевой поверхности, а ее внешняя граница остается прямой линией. Близко к стенке находится крайне тонкий ламинарный пограничный слой. Струя несет большое количество холодного воздуха, и скорость прибытия очень высока. Турбулентность в зоне застоя также очень велика, поэтому коэффициент теплопередачи при ударном охлаждении очень высок.

Свободноконвекционное охлаждение

（1）Радиальный прямой канал охлаждения внутри лопасти

Охлаждающий воздух непосредственно проходит через внутреннюю полость направляющего лопаточного аппарата в радиальном направлении, поглощая тепло через конвективный теплообмен для снижения температуры корпуса лопасти. Однако при определенном объеме охлаждающего воздуха коэффициент конвективного теплообмена этого метода низок, и эффект охлаждения ограничен.

(2) Несколько каналов охлаждения внутри лопасти (многокамерный дизайн)

Многокамерный дизайн не только увеличивает коэффициент конвективного теплообмена между холодным воздухом и внутренней поверхностью лопасти турбины, но и увеличивает общую площадь теплообмена, время внутреннего потока и теплообмена, а также имеет высокий уровень использования холодного воздуха. Эффект охлаждения можно улучшить за счет рационального распределения потока холодного воздуха. Конечно, многокамерный дизайн также имеет недостатки. Из-за длинного пути циркуляции холодного воздуха, маленькой площади циркуляции и множества поворотов воздушного потока сопротивление потока возрастает. Этот сложный конструкция также увеличивает сложность обработки и делает стоимость выше.

（3）Ребристая структура усиливает конвективный теплообмен и спойлерную колонну охлаждения

Каждое ребро в рёберной структуре действует как элемент возмущения потока, заставляя жидкость отделяться от пограничного слоя и образовывать вихри с различными интенсивностями и размерами. Эти вихри изменяют структуру потока жидкости, а процесс теплообмена значительно усиливается за счёт увеличения турбулентности жидкости в пристеночной области и периодического обмена массой между большими вихрями и основным потоком.

Охлаждение с помощью спойлеров представляет собой расположение нескольких рядов цилиндрических рёбер определённым образом внутри внутреннего охлаждающего канала. Эти цилиндрические рёбра не только увеличивают площадь теплообмена, но и способствуют повышению взаимного смешивания холодного воздуха в различных областях из-за возмущения потока, что может значительно повысить эффективность теплообмена.

Фильмовое охлаждение

Фильмовое охлаждение заключается в продуvalе холодного воздуха через отверстия или зазоры на горячей поверхности, создавая слой холодного воздушной пленки на горячей поверхности для блокировки нагрева твердой стенки горячими газами. Поскольку холодная воздушная пленка препятствует контакту основного потока воздуха с рабочей поверхностью, это достигает цели теплоизоляции и предотвращения коррозии, поэтому некоторые источники также называют этот метод охлаждения барьерным охлаждением.

Сопла фильмового охлаждения обычно представляют собой круглые отверстия или ряды круглых отверстий, а иногда их делают в виде двумерных щелей. В реальных охлаждающих конструкциях между соплом и охлаждаемой поверхностью обычно существует определенный угол.

Большое количество исследований о цилиндрических отверстиях в 1990-х годах показало, что коэффициент продувки (отношение плотного потока струи к основному потоку) значительно влияет на эффект адиабатического пленочного охлаждения однорядных цилиндрических отверстий. После того как холодная воздушная струя попадает в зону высокотемпературных газов основного потока, она образует пару вихрей с прямым и обратным вращением, также известную как почкообразная пара вихрей. При относительно высокой продувке, помимо прямых вихрей, истечение также формирует противоположно направленные вихри. Этот обратный вихрь захватывает высокотемпературные газы из основного потока и переносит их к задней кромке лопасти, что снижает эффективность пленочного охлаждения.