Osnove turbin – Tehnologija hlajenja turbin in lopatic Slovenija

Zgradba turbine z aksialnim tokom

Turbina je rotacijski pogonski stroj, ki pretvarja entalpijo delovne tekočine v mehansko energijo. Je eden glavnih sestavnih delov letalskih motorjev, plinskih turbin in parnih turbin. Pretvorba energije med turbinami in kompresorji ter zračnim tokom je po postopku nasprotna. Kompresor med delovanjem porablja mehansko energijo, zračni tok pa pridobi mehansko energijo, ko teče skozi kompresor, tlak in entalpija pa se povečata. Ko turbina teče, se delo gredi oddaja iz turbinske gredi. Del dela gredi se porabi za premagovanje trenja na ležajih in pogon pripomočkov, preostanek pa absorbira kompresor.

Tu so obravnavane samo turbine z aksialnim tokom. Turbina v plinskoturbinskem motorju je običajno sestavljena iz več stopenj, vendar je stator (obroč šobe ali vodilo) nameščen pred rotirajočim rotorjem. Kanal lopatice stopnje turbinskega elementa je konvergenten, visokotemperaturni in visokotlačni plin iz zgorevalne komore pa se širi in pospešuje v njem, medtem ko turbina izvaja mehansko delo.

Značilnosti prenosa toplote zunanje površine turbinske lopatice

Koeficient konvekcijskega prenosa toplote med plinom in površino rezila se izračuna z uporabo Newtonove hladilne formule.

Za tlačno površino in sesalno površino je konvektivni koeficient prenosa toplote največji na sprednjem robu rezila. Ko se laminarna mejna plast postopoma debeli, se konvekcijski koeficient toplotnega prenosa postopoma zmanjšuje; na prehodni točki se konvekcijski koeficient prehoda toplote nenadoma poveča; po prehodu v turbulentno mejno plast, ko se viskozna spodnja plast postopoma zgosti, konvektivni koeficient toplotnega prehoda postopoma pada. Za sesalno površino bo ločitev toka, ki se lahko pojavi v zadnjem delu, povzročila rahlo povečanje konvektivnega koeficienta prenosa toplote.

Šok hlajenje

Udarno hlajenje je uporaba enega ali več curkov hladnega zraka za udarjanje v vročo površino, kar povzroči močan konvekcijski prenos toplote v območju udarca. Značilnost udarnega hlajenja je, da obstaja visok koeficient prenosa toplote na površini stene stagnacijskega območja, kjer deluje tok hladnega zraka, zato se ta metoda hlajenja lahko uporablja za usmerjeno hlajenje površine.

Naletno hlajenje notranje površine vodilnega roba turbinske lopatice je omejeno prostorsko naletno hlajenje in curek (pretok hladnega zraka) se ne more prosto mešati z okoliškim zrakom. V nadaljevanju je predstavljeno udarno hlajenje ravninske tarče z eno luknjo, ki je osnova za proučevanje vpliva udarnega toka in prenosa toplote.

Tok tarče z navpično udarno ravnino z eno luknjo je prikazan na zgornji sliki. Ravna tarča je dovolj velika in nima rotacije, na površini pa ni nobene druge navzkrižne tekočine. Kadar razdalja med šobo in ciljno površino ni zelo blizu, lahko del izstopne odprtine curka obravnavamo kot prosti curek, in sicer jedrni del (ⅰ) in osnovni del (ⅱ) na sliki. Ko se curek približa ciljni površini, se zunanja mejna črta curka začne spreminjati iz ravne v krivuljo in curek vstopi v območje obračanja (Ⅲ), imenovano tudi območje stagnacije. V območju stagnacije curek zaključi prehod iz toka, pravokotnega na ciljno površino, v tok, ki je vzporeden s ciljno površino. Ko letalo doseže 90° obratu, vstopi v cono stenskega curka (IV) naslednjega odseka. V območju stenskega curka tekočina teče vzporedno s ciljno površino, njena zunanja meja pa ostane ravna črta. V bližini stene je izjemno tanka laminarna mejna plast. Curek nosi veliko količino hladnega zraka, hitrost prihoda pa je zelo velika. Zelo velika je tudi turbulenca v zastojnem območju, zato je koeficient toplotne prehodnosti udarnega hlajenja zelo visok.

Konvekcijsko hlajenje

（1）Radialni direktni hladilni kanal znotraj rezila

Hladilni zrak teče neposredno skozi notranjo votlino vodilne lopatice v radialni smeri, absorbira toploto s konvekcijskim prenosom toplote, da zmanjša temperaturo telesa rezila. Vendar pa je pod pogojem določene količine hladilnega zraka konvekcijski koeficient prenosa toplote pri tej metodi nizek in hladilni učinek je omejen.

(2) Več hladilnih kanalov znotraj rezila (zasnova z več votlinami)

Zasnova z več votlinami ne poveča samo konvektivnega koeficienta prenosa toplote med hladnim zrakom in notranjo površino turbinske lopatice, ampak tudi poveča celotno površino izmenjave toplote, poveča notranji pretok in čas izmenjave toplote ter ima visoko hladen zrak stopnja izkoriščenosti. Hladilni učinek je mogoče izboljšati z ustrezno porazdelitvijo toka hladnega zraka. Seveda ima zasnova z več votlinami tudi slabosti. Zaradi dolge razdalje kroženja hladilnega zraka, majhne površine kroženja in večkratnih obratov zračnega toka se bo upor pretoka povečal. Ta zapletena struktura prav tako otežuje procesno obdelavo in povečuje stroške.

(3)Rebrasta struktura izboljša konvekcijski prenos toplote in hlajenje kolone spojlerja

Vsako rebro v strukturi rebra deluje kot element motnje toka, zaradi česar se tekočina odcepi od mejne plasti in tvori vrtince z različnimi močmi in velikostmi. Ti vrtinci spremenijo strukturo toka tekočine, proces prenosa toplote pa se znatno izboljša s povečanjem turbulence tekočine v obstenskem območju in občasno izmenjavo mase med velikimi vrtinci in glavnim tokom.

Hlajenje kolone spojlerja mora imeti več vrst cilindričnih reber, ki so na določen način razporejena znotraj notranjega hladilnega kanala. Ta cilindrična rebra ne samo povečajo površino izmenjave toplote, temveč tudi povečajo medsebojno mešanje hladnega zraka v različnih območjih zaradi motenj pretoka, kar lahko bistveno poveča učinek prenosa toplote.

Filmsko hlajenje

Hlajenje z zračnim filmom je izpihovanje hladnega zraka iz lukenj ali rež na vroči površini in oblikovanje plasti hladnega zračnega filma na vroči površini, ki preprečuje segrevanje trdne stene z vročim plinom. Ker film hladnega zraka blokira stik med glavnim tokom zraka in delovno površino, doseže namen toplotne izolacije in zaščite pred korozijo, zato v literaturi ta način hlajenja imenujemo tudi barierno hlajenje.

Šobe filmskega hlajenja so običajno okrogle luknje ali vrste okroglih lukenj, včasih pa so narejene v dvodimenzionalne reže. V dejanskih hladilnih strukturah je običajno določen kot med šobo in površino, ki jo hladimo.

Veliko število študij o cilindričnih luknjah v devetdesetih letih prejšnjega stoletja je pokazalo, da bo razmerje pihanja (razmerje med gostim tokom curka in glavnim tokom) pomembno vplivalo na učinek adiabatnega filmskega hlajenja ene same vrste cilindričnih lukenj. Ko curek hladnega zraka vstopi v območje plina z visoko temperaturo glavnega toka, bo oblikoval par vrtinčastih parov, ki se vrtijo naprej in nazaj, znan tudi kot ledvičast par vrtincev. Ko je pihanje zraka razmeroma visoko, poleg vrtincev, ki se vrtijo naprej, iztok tvori tudi vrtince, ki se vrtijo nasproti. Ta vzvratni vrtinec bo ujel visokotemperaturni plin v glavni tok in ga pripeljal do zadnjega roba prehoda rezila, s čimer se zmanjša učinek hlajenja filma.