Osnove turbine - Tehnologija hladjenja turbine in listev

Struktura osnovne točnega turbine

Turbina je vrtenjska močna strojina, ki spremeni entalpijo delovne tekočine v mehansko energijo. Predstavlja eno izmed glavnih komponent letalskih motorjev, plinskih turbin in parnih turbin. Postopek pretvorbe energije med turbinami, stiskalniki in zrakovim tokom je nasproten. Stiskalnik porabi mehansko energijo med delovanjem, zrak pa pridobi mehansko energijo, ko teče skozi stiskalnik, pri čemer narasta tla in entalpija. Ko deluje turbina, se delo prenese preko osi turbine. Delo na osi se uporabi za prevzemanje trenja na polmerih in pogon prilogo, ostale pa absorbiše stiskalnik.

Tu se razpravlja le o osnosmeržnih turbineh. Turbina v plinski turbinski motorjev je običajno sestavljena iz več stopinj, vendar pa je stator (notranji prstni vodilni sistem ali vodilna ploskev) postavljen pred rotirajočo hidravlično kolo. Strujno kanal turbininega elementa je skupaj zbliznjen, in visoko temperaturni in pod visokim tlakom plin iz kamere za gorenje v njem širi in pospešuje, medtem ko turbina izvaja mehansko delo.

Toplotne prenosne lastnosti zunanjega površja turbininega listva

Konvektivni toploten prenosni koeficient med plinom in površino listva se izračuna z uporabo Newtonove formule za hlađenje.

Za tlakovno in vsečno ploskev je konvektivni koeficient toplote najvišji na prednji rob lopatica. Po tem, ko se laminarni meja plasti počasi zadebelja, se konvektivni koeficient toplote počasi zmanjšuje; v prehodni točki se konvektivni koeficient toplote nagle poveča; po prehodu v turbulentno meja plast, saj se lepljiva spodnja plast počasi zadebelja, se konvektivni koeficient toplote počasi zmanjšuje. Za vsečno ploskev bo morebitna odpiranje toka v zadnjem delu povzročila malo povečanje konvektivnega koeficienta toplote.

Hladjenje s šokom

Impingement hlađenje pomeni uporabo ene ali več hladnih zrakovnih struj, ki vplivajo na toplo površino, oblikujejo pa močno konvekcijsko prenos toplote v območju vpliva. Značilnost impingement hlađenja je visok koeficient prenosa toplote na stenosni površini, kjer pride do udeležbe hladnega zraka, zato se ta način hlađenja lahko uporablja za usmerjeno hlađenje površine.

Impingement hlađenje notranje površine vodilne robove turbinskih listov je omejeno prostorsko impingement hlađenje, pri katerem se struja (hladni zrak) ne more prosto mešati s okolišnjim zrakom. Naslednje predstavlja impingement hlađenje enoopravčnega ravninskega cilja, kar je osnova za študijo vpliva impingement toka in prenosa toplote.

Prikazan je tok enočrtnega navpičnega vpliva na ravninski cilj, kot je prikazano na zgornji sliki. Ravninski cilj je dovolj velik in nimajo rotacije, niti pa je na površini prisotna kakšna druga prečna tekočina. Ko je razdalja med špricem in površino cilja ne zelo blizu, se del izleta toka lahko obravnava kot prost izlet, imenovan tudi jedrska območja ( ⅰ ) in osnovno območje ( ⅱ ) na sliki. Ko se tok približa površini cilja, se zunanjica meja toka začne spreminjati iz ravne črte v krivuljo, in tok vstopi v obratno območje ( ⅲ ), kar se imenuje tudi stagnacijsko območje. V stagnacijskem območju zaključi tok prehod od pretokanja pravokotno na površino cilja v tok, ki je vzporeden površini cilja. Ko zaključi tok 90 ° ob vrtenju vstopi v stenoski tok (IV) naslednje sekcije. V območju stenoskega toka teče tekočina vzporedno ciljnim površjem, in njegova zunanja meja ostaja ravna črta. Blizu stene je zelo tanka laminarna meja. Stenoski tok nosi z velikim količinam hladnega zraka, pri čemer je dosežena hitrost zelo visoka. Turbulentnost v stagnacijskem območju je tudi zelo velika, zato je toplotni prenosni koeficient pri udarnem hlajenju zelo visok.

Konvekcijsko hlajenje

(1) Radialni neposredni hlajeni kanal notri v listu

Hlajeni zrak teče neposredno skozi notranjo ščelinu vodilnega listka v radialnem smerovanju, sorbevajoč toploto skozi konvekcijski toplotni prenos, da zmanjša temperaturo telesa listka. Vendar pa je pri določenem obsegu hlajenega zraka konvekcijski toplotni prenosni koeficient tega načina nizak in učinek hlajenja omejen.

(2) Večkratni hlajeni kanali notri v listu (dizajn z večimi ščelinami)

Velikokamerni načrt ne le poveča konvektivni koeficient prenašanja toplote med hladnim zrakom in notranjo površino turbinovega listva, ampak tudi poveča skupno površino za prenos tople, poveča notranji pretok in čas za pretopljeno razmenu ter ima visoko stopnjo uporabe hladnega zraka. Hlađenjski učinek se lahko izboljša z razumitnim porazdeljevanjem pretoka hladnega zraka. Seveda ima velikokamerni načrt tudi mane. Zaradi dolge poti cirkulacije hladnega zraka, malega območja cirkulacije in večkratnih zakrivljenih tokov zraka bo povečana protitev pretoku. Ta kompleksna struktura poveča tudi težavnost strojnega obdelovanja in s tem stroške.

（3）Rebrovasta struktura povečuje konvektivno prenašanje toplote in spoiler stolpcnehladjenje

Vsaka žlica v žlični strukture deluje kot element, ki moti točen tok, in povzroča, da se tekočina loči od meja plasti in oblikuje vrtežne strukture s različno močjo in velikostjo. Ti vrteži spremenijo strukturo tekočine in proces prenašanja toplote se značilno poveča zaradi povečanja nepravilnosti tekočine v bližnjem okolju stene in periodičnega izmenjave mase med velikimi vrteži in glavnim tokom.

Hlađenje s spoiler stolpcem je urejanje več vrst cilindričnih žlic na določen način znotraj notranjega hlađenjskega kanala. Te cilindrične žlice ne le povečajo površino za izmenjavo topline, ampak tudi povečajo medsebojno mešanje hladnega zraka v različnih območjih zaradi motnje toka, kar značilno poveča učinkovitost prenašanja topline.

Filmovito hlađenje

Hladilni film zraka deluje tako, da iz hipov ali pukotin na topli površini puše hladni zrak in ob tem oblikuje pladnico hladnega zraka na topli površini, ki blokira segrevanje pečinske stene s strani toploga plina. Ker pladnica hladnega zraka preprečuje stik med glavnim tokom zraka in delovno površino, doseže namen otopljenja in preprečevanja korozijskih poškodb, zato jo nekatere literature imenujejo tudi pregradno hlađenje.

Pisne otroke pri filmovem hlađenju so običajno krožne pike ali vrste krožnih pik, v posameznih primerih pa jih naredijo tudi v obliki dvorazmernih škarj. V resničnih hladilnih konstrukcijah je med piskom in hlajeno površino običajno določen kot.

Velik številnik raziskav o valjkastih otvorih v 1990. letih je pokazal, da bo odnos puščenja (odnos gostega toka struja do glavnega toka) znatno vplival na adiabaten filmski hlajenski učinek enega vrstega valjkastih otvorov. Ko se hladni zrakovni struj priključi k glavnemu območju visoko temperaturne plinove, se sprožita dve vrtogredni in protivvrtogredni vrtiljski paroma, tudi imenovana kot breznačasti vrtiljski par. Kadar je hitrost puščenja zraka relativno visoka, se ob vrtogrednih vrtiljih sestavi tudi protivvrtogredni vrtilji. Ta protivvrtogredni vrtilj bo zajemal visoko temperaturni plin iz glavnega toka in ga prinesel na rob ladevine, s čimer se zmanjša učinek filmkega hlajenja.