Základy turbíny – Technológia chladenia turbín a lopatiek Slovensko

Štruktúra axiálnej turbíny

Turbína je rotačný stroj, ktorý premieňa entalpiu pracovnej tekutiny na mechanickú energiu. Je jednou z hlavných súčastí leteckých motorov, plynových turbín a parných turbín. Premena energie medzi turbínami a kompresormi a prúdenie vzduchu je v postupe opačné. Kompresor spotrebúva mechanickú energiu, keď je v prevádzke, a prúd vzduchu získava mechanickú energiu, keď prúdi kompresorom a zvyšuje sa tlak a entalpia. Keď turbína beží, práca na hriadeli je výstupom z hriadeľa turbíny. Časť práce hriadeľa sa používa na prekonanie trenia na ložiskách a pohon príslušenstva a zvyšok absorbuje kompresor.

Tu sú diskutované iba turbíny s axiálnym prietokom. Turbína v motore s plynovou turbínou je zvyčajne zložená z viacerých stupňov, ale stator (krúžok dýzy alebo vedenie) je umiestnený pred rotujúcim obežným kolesom. Lopatkový kanál stupňa turbínového prvku je konvergentný a vysokoteplotný a vysokotlakový plyn zo spaľovacej komory sa v ňom rozpína ​​a zrýchľuje, pričom turbína vykonáva mechanickú prácu.

Charakteristiky prenosu tepla vonkajšieho povrchu lopatky turbíny

Koeficient prestupu tepla konvekciou medzi plynom a povrchom čepele sa vypočíta pomocou Newtonovho chladiaceho vzorca.

Pre prítlačnú plochu a saciu plochu je koeficient prestupu tepla konvekciou najvyšší na nábežnej hrane čepele. Ako sa laminárna hraničná vrstva postupne zahusťuje, koeficient prestupu tepla konvekciou postupne klesá; v bode prechodu sa koeficient prestupu tepla konvekciou náhle zvýši; po prechode do turbulentnej hraničnej vrstvy, ako postupne hustne viskózna spodná vrstva, sa koeficient prestupu tepla konvekciou postupne znižuje. Na sacej ploche spôsobí oddeľovanie prúdenia, ku ktorému môže dôjsť v zadnej časti, mierne zvýšenie koeficientu prestupu tepla konvekciou.

Šokové chladenie

Nárazové chladenie je použitie jedného alebo viacerých prúdov studeného vzduchu na dopadanie na horúci povrch, čím sa vytvára silný konvekčný prenos tepla v oblasti nárazu. Charakteristickým znakom nárazového chladenia je, že na povrchu steny stagnačnej oblasti, kde dopadá prúd studeného vzduchu, je vysoký koeficient prestupu tepla, takže tento spôsob chladenia možno použiť na aplikáciu sústredeného chladenia na povrch.

Nárazové chladenie vnútorného povrchu nábežnej hrany turbínovej lopatky je obmedzené priestorové nárazové chladenie a prúd (prúd studeného vzduchu) sa nemôže voľne miešať s okolitým vzduchom. Nasleduje predstavenie dopadového chladenia rovinného terča s jedným otvorom, ktoré je základom pre štúdium vplyvu dopadového prúdenia a prenosu tepla.

Tok terča vertikálnej dopadovej roviny s jedným otvorom je znázornený na obrázku vyššie. Rovinný cieľ je dostatočne veľký a nemá žiadnu rotáciu a na povrchu nie je žiadna iná tekutina s priečnym prúdením. Keď vzdialenosť medzi dýzou a cieľovým povrchom nie je veľmi blízka, časť výstupu prúdu možno považovať za voľný prúd, konkrétne časť jadra (ⅰ) a základná časť (ⅱ) na obrázku. Keď sa prúd priblíži k cieľovému povrchu, vonkajšia hraničná čiara prúdu sa začne meniť z priamej čiary na krivku a prúd vstupuje do zóny otáčania (ⅲ), nazývaná aj zóna stagnácie. V stagnačnej zóne prúd dokončuje prechod z prúdenia kolmého na cieľový povrch k prúdeniu rovnobežnému s cieľovým povrchom. Potom, čo prúdové lietadlo dosiahne 90° otočením sa dostane do zóny stenového prúdu (IV) ďalšej sekcie. V zóne stenového prúdu tekutina prúdi rovnobežne s cieľovým povrchom a jej vonkajšia hranica zostáva priamka. V blízkosti steny je extrémne tenká laminárna hraničná vrstva. Prúd nesie veľké množstvo studeného vzduchu a rýchlosť príletu je veľmi vysoká. Turbulencie v zóne stagnácie sú tiež veľmi veľké, takže koeficient prestupu tepla nárazového chladenia je veľmi vysoký.

Konvekčné chladenie

（1）Radiálny priamy chladiaci kanál vo vnútri čepele

Chladiaci vzduch prúdi priamo cez vnútornú dutinu vodiacej lopatky v radiálnom smere a absorbuje teplo prostredníctvom prenosu tepla konvekciou, aby sa znížila teplota tela lopatky. Avšak za podmienky určitého objemu chladiaceho vzduchu je koeficient prestupu tepla konvekciou tejto metódy nízky a chladiaci účinok je obmedzený.

(2) Viacero chladiacich kanálov vo vnútri čepele (viacdutinový dizajn)

Viacdutinový dizajn nielenže zvyšuje koeficient konvekčného prenosu tepla medzi studeným vzduchom a vnútorným povrchom lopatky turbíny, ale tiež zväčšuje celkovú plochu výmeny tepla, zvyšuje vnútorný prietok a čas výmeny tepla a má vysoký studený vzduch. miera využitia. Chladiaci účinok možno zlepšiť primeraným rozdelením prúdu studeného vzduchu. Samozrejme, viacdutinový dizajn má aj nevýhody. Vďaka dlhej vzdialenosti cirkulácie chladiaceho vzduchu, malej cirkulačnej ploche a viacnásobným otáčkam prúdu vzduchu sa zvýši odpor prúdenia. Táto komplexná štruktúra tiež zvyšuje náročnosť spracovania procesu a zvyšuje náklady.

(3)Rebrová štruktúra zlepšuje konvekčný prenos tepla a chladenie stĺpika spojlera

Každé rebro v štruktúre rebier pôsobí ako prvok narušujúci prúdenie, čo spôsobuje, že sa tekutina oddeľuje od hraničnej vrstvy a vytvára víry s rôznou silou a veľkosťou. Tieto víry menia štruktúru prúdenia tekutiny a proces prenosu tepla sa výrazne zvyšuje prostredníctvom zvýšenia turbulencie tekutiny v oblasti blízko steny a periodickej výmeny hmoty medzi veľkými vírmi a hlavným prúdom.

Chladenie spojlerovej kolóny má mať niekoľko radov valcových rebier usporiadaných určitým spôsobom vo vnútri vnútorného chladiaceho kanála. Tieto valcové rebrá nielen zväčšujú teplovýmennú plochu, ale aj zväčšujú vzájomné premiešavanie studeného vzduchu v rôznych oblastiach v dôsledku narušenia prúdenia, čo môže Výrazne zvýšiť efekt prenosu tepla.

Chladenie filmu

Chladenie vzduchovým filmom je vyfukovanie studeného vzduchu z otvorov alebo medzier na horúcom povrchu a vytváranie vrstvy studeného vzduchového filmu na horúcom povrchu, aby sa blokovalo zahrievanie pevnej steny horúcim plynom. Keďže film studeného vzduchu blokuje kontakt medzi hlavným prúdom vzduchu a pracovným povrchom, dosahuje účel tepelnej izolácie a ochrany proti korózii, takže v niektorých literatúrach sa tento spôsob chladenia nazýva aj bariérové ​​chladenie.

Trysky filmového chladenia sú zvyčajne okrúhle otvory alebo rady okrúhlych otvorov a niekedy sú vyrobené do dvojrozmerných štrbín. V skutočných chladiacich štruktúrach je zvyčajne určitý uhol medzi tryskou a chladeným povrchom.

Veľký počet štúdií o valcových dierach v 1990. rokoch minulého storočia ukázal, že fúkací pomer (pomer hustého prúdenia prúdu k hlavnému prúdu) výrazne ovplyvní adiabatický efekt chladenia filmu jedného radu valcových dier. Potom, čo prúd studeného vzduchu vstúpi do oblasti hlavného prúdu vysokoteplotného plynu, vytvorí pár dopredu a dozadu rotujúcich vírových párov, tiež známych ako vírový pár v tvare obličky. Keď je fúkaný vzduch relatívne vysoký, okrem dopredných vírov bude výstup vytvárať aj protibežné víry. Tento spätný vír zachytí plyn s vysokou teplotou v hlavnom prúde a privedie ho k zadnej hrane lopatkového kanála, čím sa zníži efekt chladenia filmu.