Grundläggande om turbiner - Teknik för kylning av turbin och blad

Axialströmningsturbinstrukturen

En turbin är en rotande maskin som omvandlar entalpien hos ett arbetsmedel till mekanisk energi. Den är en av de huvudsakliga komponenterna i flygplansmotorer, gasmaskiner och ångturbiner. Energiomvandlingen mellan turbiner och kompressorer och luftflöde är motsatt i procedur. Kompressorn förbrukar mekanisk energi när den körs, och luftflödet får mekanisk energi när det flödar genom kompressorn, och trycket och entalpin ökar. När turbinen körs, utförs arbetet på takten från turbinens axel. En del av axelarbete används för att övervinna friktionen på lager och driva tillbehör, och resten absorberas av kompressorn.

Endast axiala strömningsturbiner diskuteras här. Turbinen i en gas turbine motor består vanligtvis av flera steg, men statorn (duschring eller guide) ligger framför den roterande ventilatorn. Bladkanalen för turbinens steg är konvergent, och det högtemperaturiga och höghTrycksgasen från förgasningskammaren expanderas och accelereras i den, medan turbinen levererar mekanisk arbetsprestation.

Värmeöverföringskaraktäristik för turbinblads yttre yta

Den konvektiva värmeöverföringskoefficienten mellan gasen och bladytan beräknas med Newtons svalningsformel.

För trycksidan och sugsidan är konvektiva värmeöverföringskoefficienten högst vid bladets förening. När den laminära gränsskiktet alltmer förstärks, minskar konvektiva värmeöverföringskoefficienten alltmer; vid övergångspunkten ökar konvektiva värmeöverföringskoefficienten plötsligt; efter övergången till det turbulenta gränsskiktet, när det viskosa bottenlagret alltmer förstärks, minskar konvektiva värmeöverföringskoefficienten alltmer. För sugsidan kan strömningen som skiljs från i bakdelen orsaka en liten ökning av konvektiva värmeöverföringskoefficienten.

Chockkyling

Impingement-kylning är att använda en eller flera kalla luftstrålar som påverkar den hetta ytan, vilket bildar en stark konvektionsvärmeöverföring i det påverkade området. Karaktäristiken för impingement-kylning är att det finns en hög värmeöverföringskoefficient på väggytan i stagnationsområdet där den kalla luftströmmen träffar, så denna kylningsmetod kan användas för att tillämpa fokuserad kylning på ytan.

Impingement-kylningen av den inre ytan på turbinbladets föregångare är en begränsad rymd impingement-kylning, och strålen (den kalla luftströmmen) kan inte blandas fritt med omkringliggande luften. Följande introducerar impingement-kylningen av en enskild-hål målplan, vilket är grunden för att studera effekten av impingement-strömning och värmeöverföring.

Strömmen av en enskurd vertikal påverkningsplan mål visas i figuren ovan. Planmålet är tillräckligt stort och har ingen rotation, och det finns ingen annan tvärvirvlande vätska på ytan. När avståndet mellan munnen och målytan inte är mycket nära kan en del av strålstycket betraktas som ett frikt stråle, nämligen kärnsektionen ( Ⅰ ) och bassektionen ( Ⅱ ) i figuren. När strålen närmar sig måtytan börjar den yttre gränslinjen för strålen att ändra från en rak linje till en kurva, och strålen går in i vändningszonen ( Ⅲ ), även kallad stillaståndsområdet. I stillaståndsområdet slutför strålen övergången från en ström som är vinkelrät mot måtytan till en ström parallell med måtytan. När strålen har slutfört 90 ° När det vänds, går det in i väggströmningszonen (IV) av nästa avsnitt. I väggströmningszonen strömmar vätskan parallellt med målytan, och dess yttre gräns förblir en rak linje. Nära väggen finns en extremt tunn laminär begränsningslager. Strålen bär med sig ett stort antal kall luft, och ankomstfarten är mycket hög. Turbulens i stillastandszonen är också mycket stor, således är värmearbetskoefficienten för påverkningskyling mycket hög.

Konvektionskyling

(1) Radial direktkylningskanal inuti bladet

Kylande luft strömmar direkt genom den inre kavitet av ledningsvingan i radial riktning, absorberar värme genom konvektionsvärmeöverföring för att minska temperatur av bladkroppen. Dock, under villkoren av en viss mängd kylande luft, är konvektionsvärmeöverföringskoefficienten för denna metod låg och kylingseffekten begränsad.

(2) Flera kylningskanaler inuti bladet (flerkamrardesign)

Flerkamradesignen ökar inte bara konvektiva värmeöverföringskoefficienten mellan den kalla luften och den inre ytan av turbinbladet, utan ökar också den totala värmeöverföringsytan, ökar den interna strömningen och värmeöverföringstiden och har en hög användningsgrad av kall luft. Kylan effekten kan förbättras genom att fördela kall luftström på ett rimligt sätt. Naturligtvis har flerkamradesignen också nackdelar. På grund av den långa cirkulationsavståndet för kall luft, den lilla cirkulationsytan och de många vändningarna av luftströmmen kommer strödmotståndet att öka. Denna komplexa struktur gör också processbearbetningen svårare och gör kostnaden högre.

（3）Ribbstrukturen förstärker konvektiv värmeöverföring och spoilerkolumnkyling

Varje rev i revstrukturen fungerar som ett störelement för strömningen, vilket orsakar att fluiden lossnar från randlagerströmningen och bildar virvelstrukturer med olika styrka och storlek. Dessa virvlar ändrar strukturen på strömningen av fluiden, och värmeöverföringsprocessen förbättras betydligt genom ökade turbulenser nära väggen och den periodiska massautbytet mellan de stora virvlarna och huvudströmmen.

Spoilarkolumnkylning innebär att ha flera rader av cylindriska rev cirklar arrangerade på ett visst sätt inom den inre kylkanalen. Dessa cylindriska rev inte bara ökar värmeutbyte ytan, men också öka den gegensidiga blandningen av kall luft i olika områden på grund av strömningen störningar, vilket kan betydligt förbättra värmeöverförings-effekten.

Filmkylning

Filmkylning är att blåsa ut kall luft från hål eller sprickor på den hetta ytan och skapa en kall luftfilm på ytan för att blockera uppvärmningen av den fasta väggen av den hetta gasen. Eftersom den kalla luftfilmen blockerar kontakten mellan huvudluftströmmen och arbetsytan uppnår man syftet med isolering och korrosionsförebyggelse, så vissa publikationer kallar också denna kylmetod för barriärkylning.

Filmkylningens munningar är vanligtvis rondeller eller rader av rundhål, och ibland görs de till tvådimensionella luckor. I faktiska kylstrukturer finns det vanligtvis en viss vinkel mellan munningen och den yta som kyls.

Ett stort antal studier om cylindriska hål under 1990-talet visade att blåsningsförhållandet (förhållandet mellan den tätflödesströmmen av strålen och huvudströmmen) påverkar avsevärt den adiabatiska filmkylnings-effekten för en enskild rad med cylindriska hål. När det kalla luftstrålet tränger in i den högtempererade gasområdet i huvudströmmen bildas ett par av framåt och bakåt rotande virvlor, även känt som njurformade virvlor. När blåsningen är relativt hög bildas, utöver de framåtriktade virvlorna, även motrotande virvlor vid utflödet. Dessa motvirvlor fängslar den högtempererade gasen från huvudströmmen och förs den till trailern av bladpassagen, vilket minskar filmkylnings-effekten.