Osnove turbine - Tehnologija hlađenja turbine i lisica

Struktura aksijalnog toka turbine

Turbina je rotacioni snagački stroj koji pretvara entalpiju radne tekućine u mehaničku energiju. To je jedan od glavnih komponenti avijskih motora, plinskih turbiina i paretnih turbiina. Pretvaranje energije između turbinara i kompresora i vazdušnog protoka je suprotno po postupku. Kompresor potroši mehaničku energiju tijekom rada, a vazduh dobiva mehaničku energiju dok prolazi kroz kompresor, uz povećanje tlaka i entalpije. Tijekom rada turbine, sa štapom turbine se isklapa mehanička radna snaga. Dio ove radne snage se koristi za preodoljavanje trenja na ložima i vođenje pribora, dok ostatak biva upućen kompresoru.

Ovde se razmatraju samo turbine sa osnim tokom. Turbina u motornoj turbinu obično se sastoji od više stupnjeva, ali je statorna četkica (dusna krugovađa ili vodilja) postavljena ispred rotirajuće bubnjeve. Kanal lopatica u elementarnom stupnju turbine je konvergentan, i visoko temperaturni i visoko pritisni plin iz gorišne komore se prošire i ubrzava u njemu, dok turbina izlazi mehanički rad.

Termodinamičke karakteristike spoljnje površine lopacke turbine

Konvektivni koeficijent prenosa topline između plina i površine lopacke se računa koristeći Newtonovu formulu hlađenja.

Za pritisnu i sučionu površinu, konvektivni koeficijent toplinskog prenosa je najviši na vodećem ivu lopatica. Kako se laminarni granani sloj postepeno deblja, konvektivni koeficijent toplinskog prenosa postepeno smanjuje; u prelomnoj tački, konvektivni koeficijent toplinskog prenosa naglo raste; nakon prelaska na turbulentni granani sloj, kako se lepljivi dno-sloj postepeno deblja, konvektivni koeficijent toplinskog prenosa postepeno smanjuje. Za sučionu površinu, moguće odvajanje protoka u zadnjem delu uzrokuje da se konvektivni koeficijent toplinskog prenosa malo poveća.

Hlađenje šokom

Hlađenje udarom podrazumeva upotrebu jednog ili više hladnih vazdušnih jetova koji utiču na vruću površinu, formirajući jak konvektivni prenos toplote u oblasti udara. Karakteristika hlađenja udarom je da postoji visok koeficijent prenosa toplote na zidnoj površini u oblasti stagnacije gde se hladni vazdušni tok udara, pa se ovaj način hlađenja može koristiti za usmereno hlađenje površine.

Hlađenje udarom unutrašnje površine vodeće ivice turbine je ograničeno prostorno hlađenje udarom, a jet (hladni vazdušni tok) se ne može slobodno mešati sa okolnim vazduhom. Sledeći deo predstavlja hlađenje udarom ciljnog jedno-ružičnog plana, što je osnova za proučavanje uticaja prenosa topline i udarnog protoka.

Prikazan je tok jednočvrstnog vertikalnog udarnog ravanskog cilja na slici iznad. Ravan cilj je dovoljno veliki i nema rotacije, a na površini ne postoji druga presečna struja tekućine. Kada je rastojanje između šipke i površine cilja nije previše blizu, deo izlaza struje može se smatrati slobodnom strujom, odnosno jezgrinskom delom ( ⅰ ) i baznim delom ( ⅱ ) na slici. Kada se struja približava površini cilja, spoljna granica struje počinje da se menja sa prave linije u krivu, i struja ulazi u zonu okretanja ( ⅲ ), takođe poznatu kao zona stajanja. U zoni stajanja, struja završava prelazak sa toka normalnog na površinu cilja na tok paralelnog sa površinom cilja. Nakon što struja završi 90 ° kada se okrene, ulazi u zonu zidnog jet-a (IV) sledećeg dela. U zoni zidnog jet-a, tečnost teče paralelno sa ciljanim površinom, a njena spoljašnja granica ostaje prava linija. Blizu zida postoji ekstremno tanak laminaran granularni sloj. Jet nosi veliki iznos hladnog vazduha, a brzina dolaska je vrlo visoka. Turbulencija u zoni stajanja je takođe vrlo velika, pa je i koeficijent prenosa toplote pri udarnom hlađenju vrlo visok.

Konvektivno hlađenje

(1) Radialni direktni hladbeni kanal unutar lopatica

Hladeni vazduh teče direktno kroz unutrašnju šupljinu vodiljke u radialnom smeru, absorbirajući toplinu putem konvektivnog prenosa topline kako bi se smanjila temperatura tela lopati. Međutim, uz određenu količinu hladnog vazduha, ovaj način ima niski koeficijent konvektivnog prenosa topline i ograničen je u pogledu efekta hlađenja.

(2) Više hladbenih kanala unutar lopati (dizajn sa više šupljina)

Dizajn sa više šuplji ne samo što povećava koeficijent konvektivnog prenosa toplote između hladnog zraka i unutrašnje površine turbinovog lopatica, već takođe povećava ukupnu površinu za razmenu topline, povećava vreme unutrašnjeg protoka i razmene topline, a ima i visok stepen iskorišćenja hladnog zraka. Hlađenje se može poboljšati raspoštanjem hladnog zraka. Naravno, dizajn sa više šuplji ima i mane. Zbog dugačke rute cirkulacije hladnog zraka, male površine za cirkulaciju i više okretaja zračnog protoka, otpor protoka će se povećati. Ova složena struktura takođe povećava težinu procesa obrade i čini da su troškovi viši.

（3）Rebrovita struktura poboljšava konvektivan prenos topline i spoiler kolonu hlađenja

Svaki žičast u strukturi žičastičnog sistema deluje kao element koji perturbira tok, uzrokujući da tečnost odlasi od granularnog sloja i formira vrtlože različite snažnosti i veličine. Ova vrtložna struktura menja strukturu tečnosti, a proces prenosa topline značajno se poboljšava povećanjem turbulentnosti tečnosti u bliskoj zidnoj oblasti i periodičkom maseovom izmenom između velikih vrtložnih struktura i glavnog proučavanja.

Hlađenje sa spoiler kolonom je da ima više redova cilindričnih žičastica raspoređenih na određen način unutar unutrašnjeg hlađenog kanala. Ovi cilindrični žičastici ne samo što povećavaju površinu za izmenu topline, već takođe povećavaju međusobno mešanje hladnog zraka iz različitih oblasti zbog perturbacije protoka, što može značajno povećati efekat prenosa topline.

Filmsko hlađenje

Hlajanje filmom zraka podrazumeva ispuštanje hladnog zraka kroz otvorima ili praske na vrućoj površini kako bi se formirao sloj hladnog zrakog filma na vrućoj površini koji sprečava grejanje čvrstog zida od strane vrućeg plina. Kako hladni zrakowski film sprečava kontakt između glavnog tokova zraka i radne površine, postiže se cilj termičke izolacije i sprečavanja korozije, pa neki autori ovaj način hlajanja nazivaju i pregradnim hlajanjem.

Pice za filmovito hlajanje obično su zaobljene rupe ili redovi zaobljenih rupa, a ponekad su izrađene u obliku dvodimenzijskih šupljavih režica. U stvarnim hlajačkim konstrukcijama, uglavnom postoji određeni ugao između pica i površine koja se hladi.

Veliki broj studija o cilindričnim rupama iz 1990-ih je pokazao da omjer pušnje (omjer gustočnog toka struja do glavnog toka) značajno utiče na adijabatski učinak filmskog hlađenja jednog reda cilindričnih rupa. Nakon što hladni vazduhov struj pristane u područje visoko temperature glavnog plina, formiraće par vrtloga koji se okreću unapred i obrnuto, poznat kao bubrežasti par vrtloga. Kada je pušnja vazduha relativno visoka, osim naprednih vrtloga, izlaz će takođe formirati obrnuto rotirajuće vrtlove. Ovi obrnuti vrtlovi će zaklopiti visokotemperaturni plin iz glavnog toka i doneti ga do ivice lopaticnog prolaza, time smanjujući učinak filmskog hlađenja.