Turbingrunderna - Turbin- och bladkylningsteknik Sverige

Axialflödesturbinstruktur

En turbin är en roterande kraftmaskin som omvandlar entalpin hos en arbetsvätska till mekanisk energi. Det är en av huvudkomponenterna i flygplansmotorer, gasturbiner och ångturbiner. Energiomvandlingen mellan turbiner och kompressorer och luftflöde är motsatt i procedur. Kompressorn förbrukar mekanisk energi när den är igång, och luftflödet får mekanisk energi när det strömmar genom kompressorn, och trycket och entalpin ökar. När turbinen är igång utgår axelarbetet från turbinaxeln. En del av axelarbetet används för att övervinna friktionen på lagren och driva tillbehören, och resten absorberas av kompressorn.

Endast axialflödesturbiner diskuteras här. Turbinen i en gasturbinmotor är vanligtvis sammansatt av flera steg, men statorn (munstycksringen eller styrningen) är placerad framför det roterande pumphjulet. Bladkanalen i turbinelementsteget är konvergent, och högtemperatur- och högtrycksgasen från förbränningskammaren expanderar och accelererar i den, medan turbinen avger mekaniskt arbete.

Värmeöverföringsegenskaper hos turbinbladets yttre yta

Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten mellan gasen och bladytan beräknas med hjälp av Newtons kylformel.

För tryckytan och sugytan är den konvektiva värmeöverföringskoefficienten högst vid bladets framkant. När det laminära gränsskiktet gradvis tjocknar, minskar den konvektiva värmeöverföringskoefficienten gradvis; vid övergångspunkten ökar plötsligt den konvektiva värmeöverföringskoefficienten; efter övergången till det turbulenta gränsskiktet, när det viskösa bottenskiktet gradvis tjocknar, minskar den konvektiva värmeöverföringskoefficienten gradvis. För sugytan kommer den flödesseparation som kan uppstå i den bakre delen att göra att konvektiv värmeöverföringskoefficient ökar något.

Stötkylning

Impingementkylning är att använda en eller flera kalla luftstrålar för att påverka den heta ytan, vilket bildar en stark konvektionsvärmeöverföring i slagområdet. Kännetecknande för impingementkyla är att det finns en hög värmeöverföringskoefficient på väggytan av stagnationsområdet där det kalla luftflödet påverkar, så denna kylmetod kan användas för att applicera fokuserad kylning på ytan.

Stötkylningen av den inre ytan av framkanten av turbinbladet är en begränsad utrymmeskylning, och strålen (kall luftflöde) kan inte blandas fritt med den omgivande luften. Följande introducerar anslagskylningen av ett planmål med ett hål, vilket är grunden för att studera påverkan av anslagsflöde och värmeöverföring.

Flödet för ett vertikalt slagplansmål med ett hål visas i figuren ovan. Det plana målet är tillräckligt stort och har ingen rotation, och det finns ingen annan tvärflödesvätska på ytan. När avståndet mellan munstycket och målytan inte är särskilt nära, kan en del av jetutloppet betraktas som en fri stråle, nämligen kärnsektionen (ⅰ) och basdelen (Ⅱ) i figuren. När strålen närmar sig målytan börjar strålens yttre gränslinje att ändras från en rak linje till en kurva och strålen går in i vändzonen (ⅲ), även kallad stagnationszonen. I stagnationszonen fullbordar strålen övergången från ett flöde vinkelrätt mot målytan till ett flöde parallellt med målytan. Efter att jetplanen slutfört en 90° sväng, går den in i väggstrålezonen (IV) i nästa sektion. I väggstrålezonen strömmar vätskan parallellt med målytan och dess yttre gräns förblir en rak linje. Nära väggen finns ett extremt tunt laminärt gränsskikt. Strålen bär en stor mängd kall luft, och ankomsthastigheten är mycket hög. Turbulensen i stagnationszonen är också mycket stor, så värmeöverföringskoefficienten för slagkylningen är mycket hög.

Konvektionskylning

（1）Radiell direktkylningskanal inuti bladet

Kylluften strömmar direkt genom ledskenans inre hålighet i radiell riktning och absorberar värme genom konvektionsvärmeöverföring för att minska temperaturen på bladkroppen. Under villkoret av en viss kylluftsvolym är emellertid konvektionsvärmeöverföringskoefficienten för denna metod låg och kyleffekten begränsad.

(2) Flera kylkanaler inuti bladet (design med flera hålrum)

Designen med flera kaviteter ökar inte bara den konvektiva värmeöverföringskoefficienten mellan den kalla luften och den inre ytan av turbinbladet, utan ökar också den totala värmeväxlingsarean, ökar det interna flödet och värmeväxlingstiden och har en hög kall luft utnyttjandegrad. Kyleffekten kan förbättras genom att det kalla luftflödet fördelas rimligt. Naturligtvis har multikavitetsdesignen också nackdelar. På grund av det långa cirkulationsavståndet för kylluft, liten cirkulationsarea och flera varv av luftflödet kommer flödesmotståndet att öka. Denna komplexa struktur ökar också svårigheten med processbearbetning och gör kostnaden högre.

(3)Ribbstruktur förbättrar konvektiv värmeöverföring och spoilerkolonnkylning

Varje ribba i ribbstrukturen fungerar som ett flödesstörande element, vilket gör att vätskan lossnar från gränsskiktet och bildar virvlar med olika styrka och storlekar. Dessa virvlar förändrar fluidens flödesstruktur och värmeöverföringsprocessen förbättras avsevärt genom ökningen av fluidturbulens i området nära väggen och det periodiska massutbytet mellan de stora virvlarna och huvudströmmen.

Spoilerkolonnkylning är att ha flera rader av cylindriska ribbor anordnade på ett visst sätt inuti den inre kylkanalen. Dessa cylindriska ribbor ökar inte bara värmeväxlingsarean, utan ökar också den ömsesidiga blandningen av kall luft i olika områden på grund av störningen av flödet, vilket avsevärt kan öka värmeöverföringseffekten.

Filmkylning

Luftfilmkylning är att blåsa ut kall luft från hålen eller luckorna på den heta ytan och bilda ett lager av kall luftfilm på den heta ytan för att blockera uppvärmningen av den fasta väggen av den heta gasen. Eftersom kallluftsfilmen blockerar kontakten mellan huvudluftflödet och arbetsytan uppnår den syftet med värmeisolering och korrosionsförebyggande, så viss litteratur kallar också denna kylmetod för barriärkylning.

Munstyckena för filmkylning är vanligtvis runda hål eller rader av runda hål, och ibland är de gjorda till tvådimensionella slitsar. I faktiska kylkonstruktioner finns det vanligtvis en viss vinkel mellan munstycket och ytan som kyls.

Ett stort antal studier på cylindriska hål på 1990-talet visade att blåsförhållandet (förhållandet mellan strålens täta flöde och huvudströmmen) signifikant kommer att påverka den adiabatiska filmkylningseffekten av en enda rad av cylindriska hål. Efter att den kalla luftstrålen kommer in i huvudströmsområdet för högtemperaturgas kommer den att bilda ett par framåt- och bakåtroterande virvelpar, även känd som ett njurformat virvelpar. När blåsluften är relativt hög kommer utflödet förutom framåtgående virvlar även att bilda motroterande virvlar. Denna omvända virvel kommer att fånga in högtemperaturgasen i huvudströmmen och föra den till den bakre kanten av bladpassagen, och därigenom minska filmens kyleffekt.