ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับกังหัน - เทคโนโลยีระบายความร้อนของกังหันและใบพัด ประเทศไทย

โครงสร้างกังหันไหลตามแนวแกน

กังหันเป็นเครื่องจักรพลังงานหมุนที่แปลงเอนทัลปีของของไหลทำงานเป็นพลังงานกล เป็นหนึ่งในส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์อากาศยาน กังหันแก๊ส และกังหันไอน้ำ การแปลงพลังงานระหว่างกังหันและคอมเพรสเซอร์และการไหลของอากาศเป็นกระบวนการที่ตรงกันข้าม คอมเพรสเซอร์ใช้พลังงานกลเมื่อทำงาน และการไหลของอากาศจะได้รับพลังงานกลเมื่อไหลผ่านคอมเพรสเซอร์ และแรงดันและเอนทัลปีจะเพิ่มขึ้น เมื่อกังหันทำงาน เพลาของกังหันจะส่งออกจากเพลา ส่วนหนึ่งของเพลาของกังหันใช้เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานบนตลับลูกปืนและขับเคลื่อนอุปกรณ์เสริม และส่วนที่เหลือจะถูกคอมเพรสเซอร์ดูดซับ

ที่นี่จะกล่าวถึงเฉพาะกังหันไหลตามแนวแกนเท่านั้น กังหันในเครื่องยนต์กังหันแก๊สมักประกอบด้วยหลายขั้นตอน แต่สเตเตอร์ (วงแหวนหัวฉีดหรือไกด์) จะอยู่ด้านหน้าใบพัดหมุน ช่องใบพัดของขั้นตอนองค์ประกอบกังหันบรรจบกัน และก๊าซอุณหภูมิสูงและแรงดันสูงจากห้องเผาไหม้จะขยายตัวและเร่งความเร็วภายในนั้น ในขณะที่กังหันส่งงานทางกล

ลักษณะการถ่ายเทความร้อนของพื้นผิวภายนอกใบพัดกังหัน

ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างก๊าซและพื้นผิวใบพัดจะคำนวณโดยใช้สูตรการทำความเย็นแบบนิวตัน

สำหรับพื้นผิวแรงดันและพื้นผิวดูด ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะสูงที่สุดที่ขอบด้านหน้าของใบมีด เมื่อชั้นขอบแบบลามินาร์ค่อยๆ หนาขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะลดลงทีละน้อย เมื่อถึงจุดเปลี่ยน ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน หลังจากเปลี่ยนผ่านไปยังชั้นขอบแบบปั่นป่วน เมื่อชั้นล่างที่มีความหนืดค่อยๆ หนาขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนจะลดลงทีละน้อย สำหรับพื้นผิวดูด การแยกของการไหลที่อาจเกิดขึ้นในส่วนด้านหลังจะทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ระบบระบายความร้อนด้วยแรงกระแทก

การระบายความร้อนด้วยการกระแทกคือการใช้เครื่องพ่นอากาศเย็นหนึ่งเครื่องหรือมากกว่านั้นเพื่อกระทบกับพื้นผิวที่ร้อน ทำให้เกิดการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนอย่างแรงในบริเวณที่กระทบ ลักษณะเฉพาะของการระบายความร้อนด้วยการกระแทกคือมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงบนพื้นผิวผนังของบริเวณที่อากาศนิ่งซึ่งกระแสลมเย็นกระทบ ดังนั้นวิธีการระบายความร้อนนี้จึงสามารถใช้ในการระบายความร้อนแบบเน้นจุดบนพื้นผิวได้

การระบายความร้อนด้วยการกระแทกของพื้นผิวด้านในของขอบนำของใบพัดกังหันเป็นการระบายความร้อนด้วยการกระแทกในพื้นที่จำกัด และเจ็ต (การไหลของอากาศเย็น) ไม่สามารถผสมกับอากาศโดยรอบได้อย่างอิสระ ต่อไปนี้จะแนะนำการระบายความร้อนด้วยการกระแทกของเป้าหมายระนาบรูเดียว ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาผลกระทบของการไหลของการกระแทกและการถ่ายเทความร้อน

การไหลของเป้าหมายระนาบการกระแทกแนวตั้งที่มีรูเดียวจะแสดงในรูปด้านบน เป้าหมายระนาบมีขนาดใหญ่เพียงพอและไม่มีการหมุน และไม่มีของเหลวไหลขวางอื่นๆ บนพื้นผิว เมื่อระยะห่างระหว่างหัวฉีดและพื้นผิวเป้าหมายไม่ใกล้กันมาก ส่วนหนึ่งของทางออกของเจ็ทสามารถถือได้ว่าเป็นเจ็ทอิสระ นั่นคือ ส่วนแกนกลาง (ⅰ) และส่วนฐาน (Ⅱ) ในรูป เมื่อเจ็ตเข้าใกล้พื้นผิวเป้าหมาย เส้นขอบเขตด้านนอกของเจ็ตจะเริ่มเปลี่ยนจากเส้นตรงเป็นเส้นโค้ง และเจ็ตจะเข้าสู่โซนเลี้ยว (ⅲ) เรียกอีกอย่างว่าโซนการหยุดนิ่ง ในเขตการหยุดนิ่ง เจ็ทจะเปลี่ยนจากการไหลที่ตั้งฉากกับพื้นผิวเป้าหมายไปเป็นการไหลที่ขนานกับพื้นผิวเป้าหมาย เมื่อเจ็ทเคลื่อนที่ครบ 90 องศา° การหมุนจะเข้าสู่โซนเจ็ตของผนัง (IV) ของส่วนถัดไป ในโซนเจ็ตของผนัง ของไหลจะไหลขนานกับพื้นผิวเป้าหมาย และขอบด้านนอกยังคงเป็นเส้นตรง ใกล้กับผนังเป็นชั้นขอบลามินาร์ที่บางมาก เจ็ตพาอากาศเย็นจำนวนมาก และความเร็วที่มาถึงก็สูงมาก ความปั่นป่วนในโซนการหยุดนิ่งก็สูงมากเช่นกัน ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของการระบายความร้อนด้วยแรงกระแทกจึงสูงมาก

การพาความร้อน

（1）ช่องระบายความร้อนแบบเรเดียลโดยตรงภายในใบมีด

อากาศเย็นจะไหลผ่านช่องด้านในของใบพัดนำทางโดยตรงในทิศทางรัศมี ดูดซับความร้อนผ่านการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนเพื่อลดอุณหภูมิของตัวใบพัด อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขของปริมาณอากาศเย็นบางปริมาณ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนของวิธีนี้จะต่ำ และผลการระบายความร้อนก็จำกัด

(2) ช่องระบายความร้อนหลายช่องภายในใบพัด (การออกแบบช่องหลายช่อง)

การออกแบบแบบหลายโพรงไม่เพียงแต่เพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนระหว่างอากาศเย็นและพื้นผิวด้านในของใบพัดกังหันเท่านั้น แต่ยังเพิ่มพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมด เพิ่มการไหลภายในและเวลาแลกเปลี่ยนความร้อน และมีอัตราการใช้ลมเย็นสูง สามารถปรับปรุงผลการระบายความร้อนได้โดยการกระจายลมเย็นอย่างเหมาะสม แน่นอนว่าการออกแบบแบบหลายโพรงก็มีข้อเสียเช่นกัน เนื่องจากระยะทางการหมุนเวียนของลมเย็นที่ยาว พื้นที่การหมุนเวียนเล็ก และการไหลของลมหลายรอบ ความต้านทานการไหลจะเพิ่มขึ้น โครงสร้างที่ซับซ้อนนี้ยังเพิ่มความยากในการประมวลผลกระบวนการและทำให้ต้นทุนสูงขึ้น

(3)โครงสร้างซี่โครงช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนและการระบายความร้อนของคอลัมน์สปอยเลอร์

ซี่โครงแต่ละอันในโครงสร้างซี่โครงทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบการรบกวนการไหล ทำให้ของเหลวแยกตัวออกจากชั้นขอบเขตและเกิดกระแสน้ำวนที่มีความเข้มข้นและขนาดต่างกัน กระแสน้ำวนเหล่านี้เปลี่ยนโครงสร้างการไหลของของเหลว และกระบวนการถ่ายเทความร้อนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญผ่านการเพิ่มขึ้นของความปั่นป่วนของของเหลวในบริเวณใกล้ผนังและการแลกเปลี่ยนมวลเป็นระยะระหว่างกระแสน้ำวนขนาดใหญ่และกระแสน้ำวนหลัก

การระบายความร้อนด้วยคอลัมน์สปอยเลอร์คือการมีซี่โครงทรงกระบอกหลายแถวที่จัดเรียงในลักษณะเฉพาะภายในช่องระบายความร้อนด้านใน ซี่โครงทรงกระบอกเหล่านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนเท่านั้น แต่ยังเพิ่มการผสมกันของอากาศเย็นในพื้นที่ต่างๆ เนื่องจากการรบกวนการไหล ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมาก

การระบายความร้อนด้วยฟิล์ม

การระบายความร้อนด้วยฟิล์มอากาศคือการเป่าลมเย็นออกจากรูหรือช่องว่างบนพื้นผิวที่ร้อนและสร้างชั้นฟิล์มอากาศเย็นบนพื้นผิวที่ร้อนเพื่อปิดกั้นความร้อนของผนังทึบโดยก๊าซร้อน เนื่องจากฟิล์มอากาศเย็นปิดกั้นการสัมผัสระหว่างกระแสลมหลักและพื้นผิวการทำงาน จึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการเป็นฉนวนกันความร้อนและป้องกันการกัดกร่อน ดังนั้นเอกสารบางฉบับจึงเรียกวิธีการระบายความร้อนนี้ว่าการระบายความร้อนแบบกั้น

หัวฉีดของระบบทำความเย็นฟิล์มโดยทั่วไปจะเป็นรูกลมหรือรูกลมเรียงเป็นแถว และบางครั้งก็ทำเป็นช่องสองมิติ ในโครงสร้างทำความเย็นจริง โดยปกติแล้วจะมีมุมหนึ่งระหว่างหัวฉีดกับพื้นผิวที่ต้องการทำความเย็น

การศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับรูทรงกระบอกในช่วงทศวรรษ 1990 แสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนการเป่า (อัตราส่วนของการไหลหนาแน่นของเจ็ตต่อกระแสหลัก) จะส่งผลต่อเอฟเฟกต์การระบายความร้อนของฟิล์มอะเดียแบติกของรูทรงกระบอกแถวเดียวอย่างมีนัยสำคัญ หลังจากที่เจ็ตอากาศเย็นเข้าสู่บริเวณก๊าซอุณหภูมิสูงกระแสหลัก มันจะสร้างคู่ของกระแสน้ำวนที่หมุนไปข้างหน้าและย้อนกลับ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าคู่กระแสน้ำวนรูปไต เมื่ออากาศที่เป่ามีปริมาณค่อนข้างสูง นอกจากกระแสน้ำวนไปข้างหน้าแล้ว การไหลออกยังจะสร้างกระแสน้ำวนที่หมุนสวนทางกันด้วย กระแสน้ำวนย้อนกลับนี้จะกักเก็บก๊าซอุณหภูมิสูงไว้ในกระแสหลักและนำไปยังขอบท้ายของช่องทางใบพัด จึงลดเอฟเฟกต์การระบายความร้อนของฟิล์ม