Základy turbíny - Technológia chladenia turbíny a lopatiek

Štruktúra axiálnej tokovej turbíny

Turbína je rotátorická poľahová stroj, ktorý prevádza entalpiu pracovnej kapaliny na mechanickú energiu. Je jednou z hlavných súčastí lietadlových motorov, plynových turbín a párových turbín. Proces premeny energie medzi turbínami a kompresorami je opačný v poradí. Kompresor spotrebováva mechanickú energiu pri svojom fungovaní, pričom vzduchový tok získa mechanickú energiu pri prechode cez kompresor, čo spôsobuje nárast tlaku a entalpie. Pri bežnom fungovaní turbíny sa z jej hriadeľovej osi vykonáva mechanická práca. Časť tejto práce sa používa na prekonanie trenia v ložiskách a pre napájanie príslušností, zatiaľ čo zvyšok je absorbovaný kompresorom.

Tu sa diskutujú len turbíny s oseľovým prietokom. Turbína v plynovom motore je obvykle tvorená viacerými stupňami, ale statická časť (žernové koleso alebo vodič) je umiestnená pred rotujúcim impelerom. Lopatkový kanál jednotlivého stupňa turbíny je konvergentný a v ňom sa rozširuje a zrýchľuje vysokohtný a vysokoťukový plyn z palivovej komory, kým turbína vykonáva mechanickú prácu.

Teplotné prenosové vlastnosti vonkajšej povrchy lopatky turbíny

Konvektívny koeficient teplotného prenosu medzi plynom a povrchem lopatky sa vypočíta pomocou Newtonovho ochladzovacieho vzorca.

Pre tlakovú plochu a vysávaciu plochu je koeficient konvektívneho tepelného prenosu najvyšší v prednej hrane listy. Keď sa postupne zhoustne laminárna hranica, koeficient konvektívneho tepelného prenosu postupne klesá; v prechodovom bode sa koeficient konvektívneho tepelného prenosu náhle zvýši; po prechode na turbulentnú hranicovú vrstvu, keď sa postupne zhoustne lepkavá spodná vrstva, sa koeficient konvektívneho tepelného prenosu postupne zníži. Pre vysávaciu plochu môže prúdové oddelenie, ktoré môže nastat v zadnej časti, spôsobiť, že sa koeficient konvektívneho tepelného prenosu zvýši obmedzene.

Šokové chlodenie

Chlazenie impingement spočíva v tom, že jeden alebo viac chladných vzdušných prúdov dopadá na horkú povrch, čím sa v oblasti dopadu tvorí silná konvektívna prenos tepla. Charakteristikou chladenia impingement je to, že na stene plochy v oblasti stagnácie, kam dopadá chladný vzduch, je veľmi vysoký koeficient prenosu tepla, preto môžeme túto metódu chladenia použiť na zamerné chladenie povrchu.

Chladenie impingement vnútorného povrchu prednej hrany turbínového listu je obmedzené priestorové chladenie impingement, pri ktorom sa chladný vzduch (prúd) nesmie voľne miešať so okolitým vzduchom. Následujúco sa popisuje chlodenie impingement jednoduchého otvoru s rovinnou cieľovou plochou, čo je základom pre štúdiu vplyvu chladenia impingement a prenosu tepla.

Výtok z jednoduchého otvoru svislej dopadovej rovinnnej cieľovej plochy je znázornený na obrázku vyššie. Rovinná cieľová plocha je dostatočne veľká a nemá rotáciu, a na jej povrchu nie je žiadny iný krížny výtok tekutiny. Keď je vzdialenosť medzi tryskou a povrchnou cieľovej plochy nepríliš blízka, môže sa časť výtoku z trysky považovať za voľný výtok, t.j. jadierovú časť ( ⅰ ) a základnú časť ( ⅱ ) na obrázku. Keď sa výtok blíži k povrchu cieľovej plochy, začne sa vonkajšia hraničná čiara výtoku meniť od priamky ku krivke, a výtok vstupuje do otočnej zóny ( ⅲ ), tiež nazývanú stagnačná zóna. V stagnačnej zóne sa výtok dokončí prechodom od toku kolmého na povrch cieľovej plochy ku toku rovnobežnému s povrchom cieľovej plochy. Po tom, čo sa výtok dokončí otočením o 90 ° pričom vstupuje do zóny stenového prúdenia (IV) nasledujúceho úseku. V zóne stenového prúdenia tekutina tečie rovnobežne s cieľovou povrchnou a jej vonkajšia hranica zostáva priamou čiarou. Blízko steny je extrémne tenká laminárna hraničná vrstva. Prúd nesie veľké množstvo studenejho vzduchu a jeho príchodová rýchlosť je veľmi vysoká. Turbulencia v zóne stagovania je tiež veľmi vysoká, preto je koeficient prevodu tepla pri dopadovom chlodení veľmi vysoký.

Konvektívne chlodenie

（1）Radialný priamy chladiace kanál vnútri lopatky

Chladiaci vzduch priamo preteka vnútornou dutinou vodicovej lopatky v radiale, absorbuje teplo prostredníctvom konvektívneho prevodu tepla na zníženie teploty tela lopatky. Avšak za podmienky určitej objemovej dávky chladnejho vzduchu je koeficient konvektívneho prevodu tepla tejto metódy nízky a chladobné účinky sú obmedzené.

(2) Viacero chladiacich kanálov vnútri lopatky (viac-kamerový dizajn)

Viacokomorový dizajn ne len zvyšuje konvektívny koeficient prenosu tepla medzi studeným vzduchom a vnútornou povrchnou lopatky turbíny, ale tiež zvyšuje celkovú plochu prenosu tepla, zvyšuje vniterný prietok a čas prenosu tepla, a má vysokú účinnosť využitia studeného vzduchu. Chladiace účinky sa dajú zlepšiť správnym rozdelením toku studeného vzduchu. Samozrejme, viacokomorový dizajn má aj nevýhody. Kvôli dlhej cirkulačnej vzdialenosti chladného vzduchu, malému cirkulačnému priestoru a viacerým zákrutom vzduchového toku sa zvýši odpor toku. Táto komplexná štruktúra tiež zvyšuje náročnosť technologického zpracovania a zvyšuje náklady.

（3）Rebrivá štruktúra zvyšuje konvektívny prenos tepla a chladiaci efekt spoilerových stĺpcov

Každá žebra v žebrovanej štruktúre funguje ako prvok rušenia toku, ktorý spôsobuje, že tekutina sa oddelí od hraničnej vrstvy a vytvorí víry s rôznymi silami a veľkosťami. Tieto víry zmenia tokovú štruktúru tekutiny a proces prevodu tepla je významne posilnený prostredníctvom zvýšenia zmätosti tekutiny v blízkosti steny a periodického hmotného výmeny medzi veľkými vírami a hlavným prúdom.

Chladenie štartovou slópkou spočíva v tom, aby sa uvnútri vnútorného chladicího kanála nachádzalo viac riadkov cylindrických žier. Tieto cylindrické žier nie len zväčšujú plochu pre výmenu tepla, ale tiež zvyšujú vzájomné miešanie studenejho vzduchu v rôznych oblastiach kvôli rušeniu toku, čo môže významne zvýšiť účinok prenosu tepla.

Filmové chlodenie

Chlazenie filmovým vzduchom spočíva v tom, že z dier alebo medzier na horecej povrchu uniká studený vzduch a tvorí sa vrstva studeného vzdušného filmu na horecej povrch, ktorá blokuje ohrievanie pevnej steny horkým plynom. Keďže studený vzduchový film blokuje kontakt medzi hlavným prúdom vzduchu a pracnou povrchnou, dosahuje sa cieľ tepalnej izolácie a prevencie korózie, preto niektoré literatúry tento spôsob chladenia nazývajú aj bariérové chladenie.

Trysky filmového chladenia sú obvykle zaoblené diery alebo rady zaoblenýchadier, a niekedy sú vyrobené do dvojrozmerných štítov. V skutočných chladiacich štruktúrach je obvykle určitý uhol medzi tryskou a chladenou povrchnou.

V 90. rokoch 20. storočia bolo uskutočnené veľa štúdií o valcovitých otvoroch, ktoré ukázali, že pomer fukania (pomer hustého prúdenia vítra ku hlavnému prúdu) významne ovplyvňuje adiabatický efekt filmového chladenia jedného radu valcovitých otvorov. Po tom, čo sa studenovzdušná straža dostane do oblasti hlavného prúdu vysokoteplých plynov, vznikne pár smerovo protikladných točivých pár, tiež známy ako pár ledvinovitého točivého pohybu. Keď je pomer fukania relatívne vysoký, okrem smerových točivých pohybov sa z formy výtokov vytvoria aj protiobratové točivé pohyby. Tieto protiobratové točivé pohyby uväznujú vysokoteplé plyny z hlavného prúdu a priniesli ich na zadnú hranu lopatkového prechodu, čím sa zníži efekt filmového chladenia.