Основы турбины - Технология охлаждения турбины и лопаток Россия

Конструкция осевой турбины

Турбина — это роторная силовая машина, преобразующая энтальпию рабочей жидкости в механическую энергию. Это один из основных компонентов авиационных двигателей, газовых турбин и паровых турбин. Преобразование энергии между турбинами и компрессорами и потоком воздуха происходит противоположным образом. Компрессор потребляет механическую энергию, когда он работает, а поток воздуха приобретает механическую энергию, когда он проходит через компрессор, а давление и энтальпия увеличиваются. Когда турбина работает, работа вала выводится с вала турбины. Часть работы вала используется для преодоления трения в подшипниках и привода вспомогательных устройств, а остальная часть поглощается компрессором.

Здесь обсуждаются только турбины с осевым потоком. Турбина в газотурбинном двигателе обычно состоит из нескольких ступеней, но статор (сопловое кольцо или направляющая) расположен перед вращающимся рабочим колесом. Канал лопаток ступени элемента турбины является конвергентным, и высокотемпературный и высоконапорный газ из камеры сгорания расширяется и ускоряется в нем, в то время как турбина выдает механическую работу.

Характеристики теплопередачи наружной поверхности лопатки турбины

Коэффициент конвективного теплообмена между газом и поверхностью лопатки рассчитывается по формуле охлаждения Ньютона.

Для поверхности давления и поверхности всасывания коэффициент конвективного теплообмена самый высокий на передней кромке лопатки. Поскольку ламинарный пограничный слой постепенно утолщается, коэффициент конвективного теплообмена постепенно уменьшается; в точке перехода коэффициент конвективного теплообмена резко увеличивается; после перехода к турбулентному пограничному слою, поскольку вязкий нижний слой постепенно утолщается, коэффициент конвективного теплообмена постепенно уменьшается. Для поверхности всасывания отрыв потока, который может возникнуть в задней секции, приведет к небольшому увеличению коэффициента конвективного теплообмена.

Ударное охлаждение

Охлаждение с помощью удара заключается в использовании одной или нескольких струй холодного воздуха для воздействия на горячую поверхность, что создает сильную конвекционную теплопередачу в зоне воздействия. Характерной чертой охлаждения с помощью удара является высокий коэффициент теплопередачи на поверхности стенки зоны застоя, куда воздействует поток холодного воздуха, поэтому этот метод охлаждения можно использовать для целенаправленного охлаждения поверхности.

Охлаждение столкновением внутренней поверхности передней кромки лопатки турбины представляет собой охлаждение столкновением в ограниченном пространстве, и струя (холодный поток воздуха) не может свободно смешиваться с окружающим воздухом. Ниже представлено охлаждение столкновением плоской мишени с одним отверстием, которое является основой для изучения влияния потока столкновений и теплопередачи.

Поток однодырчатой ​​вертикальной плоской цели удара показан на рисунке выше. Плоская цель достаточно большая и не имеет вращения, и на поверхности нет другой поперечной жидкости. Когда расстояние между соплом и поверхностью цели не очень близко, часть выхода струи можно рассматривать как свободную струю, а именно, сердечник (ⅰ) и базовая часть (Ⅱ) на рисунке. Когда струя приближается к поверхности цели, внешняя граничная линия струи начинает меняться с прямой на кривую, и струя входит в зону поворота (ⅲ), также называемая зоной застоя. В зоне застоя струя завершает переход от потока, перпендикулярного целевой поверхности, к потоку, параллельному целевой поверхности. После того, как струя завершает поворот на 90° В свою очередь, она попадает в зону пристенной струи (IV) следующего участка. В зоне пристенной струи жидкость течет параллельно целевой поверхности, а ее внешняя граница остается прямой линией. Вблизи стенки находится чрезвычайно тонкий ламинарный пограничный слой. Струя переносит большое количество холодного воздуха, и скорость прибытия очень велика. Турбулентность в зоне застоя также очень велика, поэтому коэффициент теплопередачи ударного охлаждения очень высок.

Конвекционное охлаждение

（1）Радиальный прямой канал охлаждения внутри лопатки

Охлаждающий воздух протекает непосредственно через внутреннюю полость направляющей лопатки в радиальном направлении, поглощая тепло посредством конвекционного теплообмена для снижения температуры тела лопатки. Однако при условии определенного объема охлаждающего воздуха коэффициент конвекционного теплообмена этого метода низок, а охлаждающий эффект ограничен.

(2) Несколько каналов охлаждения внутри лопатки (многополостная конструкция)

Многополостная конструкция не только увеличивает коэффициент конвективного теплообмена между холодным воздухом и внутренней поверхностью лопатки турбины, но и увеличивает общую площадь теплообмена, увеличивает внутренний поток и время теплообмена, а также имеет высокий коэффициент использования холодного воздуха. Эффект охлаждения может быть улучшен за счет разумного распределения потока холодного воздуха. Конечно, многополостная конструкция также имеет недостатки. Из-за большого расстояния циркуляции охлаждающего воздуха, малой площади циркуляции и множественных поворотов воздушного потока сопротивление потоку увеличится. Эта сложная структура также увеличивает сложность технологической обработки и делает стоимость выше.

(3)Ребристая структура улучшает конвективный теплообмен и охлаждение спойлерной колонны.

Каждое ребро в структуре ребра действует как элемент возмущения потока, заставляя жидкость отрываться от пограничного слоя и образовывать вихри с различной силой и размерами. Эти вихри изменяют структуру потока жидкости, а процесс теплопередачи значительно улучшается за счет увеличения турбулентности жидкости в пристеночной области и периодического массообмена между крупными вихрями и основным потоком.

Охлаждение колонны спойлера должно иметь несколько рядов цилиндрических ребер, расположенных определенным образом внутри внутреннего канала охлаждения. Эти цилиндрические ребра не только увеличивают площадь теплообмена, но и увеличивают взаимное перемешивание холодного воздуха в разных зонах за счет возмущения потока, что может значительно увеличить эффект теплопередачи.

Пленочное охлаждение

Воздушно-пленочное охлаждение заключается в выдувании холодного воздуха из отверстий или щелей на горячей поверхности и образовании слоя пленки холодного воздуха на горячей поверхности для блокировки нагревания твердой стенки горячим газом. Поскольку пленка холодного воздуха блокирует контакт между основным потоком воздуха и рабочей поверхностью, она достигает цели теплоизоляции и предотвращения коррозии, поэтому в некоторой литературе этот метод охлаждения также называют барьерным охлаждением.

Сопла пленочного охлаждения обычно представляют собой круглые отверстия или ряды круглых отверстий, а иногда они выполнены в виде двумерных щелей. В реальных охлаждающих конструкциях обычно имеется определенный угол между соплом и охлаждаемой поверхностью.

Большое количество исследований цилиндрических отверстий в 1990-х годах показало, что отношение продувки (отношение плотного потока струи к основному потоку) будет существенно влиять на эффект адиабатического пленочного охлаждения одного ряда цилиндрических отверстий. После того, как струя холодного воздуха попадет в область высокотемпературного газа основного потока, она образует пару прямых и обратных вращающихся вихревых пар, также известную как пара вихрей в форме почки. Когда продувочный воздух относительно высок, в дополнение к прямым вихрям, исходящий поток также будет образовывать вихри противоположного вращения. Этот обратный вихрь будет захватывать высокотемпературный газ в основном потоке и переносить его к задней кромке канала лопатки, тем самым уменьшая эффект пленочного охлаждения.