พื้นฐานของเทอร์ไบน์ - เทคโนโลยีการระบายความร้อนของเทอร์ไบน์และใบพัด

โครงสร้างกังหันแบบกระแสแกน

กังหันเป็นเครื่องกำเนิดพลังงานหมุนที่แปลงเอนแทลปีของของไหลทำงานเป็นพลังงานกล มันเป็นหนึ่งในส่วนประกอบหลักของเครื่องยนต์อากาศยาน เครื่องยนต์ก๊าซ และกังหันไอน้ำ การแปลงพลังงานระหว่างกังหันและคอมเพรสเซอร์รวมถึงการไหลของอากาศมีขั้นตอนตรงกันข้าม คอมเพรสเซอร์ใช้พลังงานกลเมื่อทำงาน และกระแสอากาศจะได้รับพลังงานกลเมื่อไหลผ่านคอมเพรสเซอร์ ส่งผลให้แรงดันและความเข้มข้นของเอนแทลพีเพิ่มขึ้น เมื่อกังหันทำงาน จะมีการทำงานจากก้านกังหันออกมา ส่วนหนึ่งของการทำงานนี้ใช้ในการเอาชนะแรงเสียดทานของตลับลูกปืนและการขับเคลื่อนอุปกรณ์เสริม ส่วนที่เหลือจะถูกนำไปใช้โดยคอมเพรสเซอร์

ที่นี่จะพูดถึงแต่เทอร์ไบน์แบบกระแสแกนเท่านั้น เทอร์ไบน์ในเครื่องยนต์เทอร์ไบน์ก๊าซมักประกอบด้วยหลายขั้น แต่สเตเตอร์ (แหวนนอซเซิลหรือไกด์) จะอยู่หน้าใบพัดหมุน ช่องใบของขั้นตอนองค์ประกอบเทอร์ไบน์เป็นแบบรวมตัว และก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูงจากห้องเผาไหม้จะขยายตัวและเร่งความเร็วภายใน ในขณะที่เทอร์ไบน์กำลังสร้างงานกล

ลักษณะการถ่ายโอนความร้อนของผิวนอกของใบเทอร์ไบน์

สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนจากการไหลของก๊าซไปยังผิวใบจะคำนวณโดยใช้สูตรการระบายความร้อนของนิวตัน

สำหรับผิวแรงดันและผิวสูบฉีด สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบโควลทีฟจะมีค่าสูงที่สุดบริเวณขอบนำของใบพัด เมื่อชั้นเขต laminar หนาขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบโควลทีฟจะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป; ที่จุดเปลี่ยนผ่าน สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบโควลทีฟจะเพิ่มขึ้นอย่างกระทันหัน; หลังจากเปลี่ยนผ่านไปยังชั้นเขตกวน เมื่อด้านล่างที่เหนียวหนืดหนาขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบโควลทีฟจะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป สำหรับผิวสูบฉีด การแยกตัวของกระแสที่อาจเกิดขึ้นในส่วนท้าย จะทำให้สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบโควลทีฟเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

การระบายความร้อนด้วยคลื่นกระแทก

การระบายความร้อนด้วยวิธี Impingement คือการใช้ النفักรถหนึ่งหรือมากกว่าพุ่งเข้าสู่ผิวที่มีความร้อน ส่งผลให้เกิดการถ่ายเทความร้อนแบบคอนเวกชันอย่างแรงในบริเวณที่เกิดการกระทบ การระบายความร้อนด้วยวิธี Impingement มีลักษณะเด่นคือมีสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสูงบนผิวของบริเวณที่กระแสอากาศเย็นกระทบดังนั้นวิธีการระบายความร้อนนี้สามารถนำมาใช้เพื่อระบายความร้อนแบบเน้นจุดไปยังผิวหน้าได้

การระบายความร้อนด้วยวิธี Impingement สำหรับผิวด้านในของขอบนำของใบพัดเทอร์ไบนมีพื้นที่จำกัด และกระแสอากาศ (อากาศเย็น) ไม่สามารถผสมกับอากาศรอบข้างได้อย่างอิสระ ต่อไปนี้เป็นการแนะนำเกี่ยวกับการระบายความร้อนด้วยวิธี Impingement ของเป้าหมายแบบแผ่นเดี่ยวซึ่งเป็นพื้นฐานในการศึกษาผลกระทบของการไหลและการถ่ายเทความร้อนจากการกระทบ

การไหลของเป้าหมายระนาบแบบรูเดี่ยวแนวตั้งที่แสดงในแผนภาพด้านบน เป้าหมายระนาบมีขนาดใหญ่เพียงพอและไม่มีการหมุน และไม่มีของเหลวอื่นที่ไหลขวางผิว เมื่อระยะทางระหว่างปากฉีดกับพื้นผิวเป้าหมายไม่ใกล่มากเกินไป ช่วงหนึ่งของการปล่อยไอเสียสามารถถือว่าเป็นการปล่อยอย่างเสรี หรือที่เรียกว่าส่วนแกน ( ⅰ ) และส่วนฐาน ( ⅱ ) ในแผนภาพ เมื่อไอเสียเข้าใกล้พื้นผิวเป้าหมาย เส้นขอบนอกของไอเสียจะเริ่มเปลี่ยนจากเส้นตรงเป็นเส้นโค้ง และไอเสียจะเข้าสู่เขตการหักเลี้ยว ( ⅲ ) ซึ่งเรียกว่าเขตการหยุดนิ่ง ในเขตการหยุดนิ่ง ไอเสียจะเปลี่ยนจากการไหลตั้งฉากกับพื้นผิวเป้าหมายมาเป็นการไหลขนานกับพื้นผิวเป้าหมาย เมื่อไอเสียเสร็จสิ้นการหัน 90 ° เมื่อถึงจุดนี้ มันจะเข้าสู่เขตเจ็ทผนัง (IV) ของส่วนถัดไป ในเขตเจ็ทผนัง ของเหลวไหลขนานกับพื้นผิวเป้าหมาย และขอบเขตด้านนอกยังคงเป็นเส้นตรง ใกล้ผนังมีชั้นขอบเขตแบบแลมินาร์ที่บางมาก เจ็ทพกพาอากาศเย็นจำนวนมาก และความเร็วในการมาถึงสูงมาก การปั่นป่วนในเขตการหยุดนิ่งก็สูงมากเช่นกัน ดังนั้นสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนของการระบายความร้อนจากการชนจึงสูงมาก

การระบายความร้อนด้วยการคอนเวคชัน

（1）ช่องระบายความร้อนแบบตรงภายในใบพัด

อากาศระบายความร้อนไหลผ่านโพรงภายในของแฉกนำทางในทิศทางรัศมี โดยดูดซับความร้อนผ่านการถ่ายโอนความร้อนด้วยการคอนเวคชันเพื่อลดอุณหภูมิของตัวใบพัด อย่างไรก็ตาม ภายใต้เงื่อนไขปริมาณอากาศระบายความร้อนที่กำหนด สัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนด้วยการคอนเวคชันของวิธีนี้ต่ำและผลลัพธ์ของการระบายความร้อนมีข้อจำกัด

(2) ช่องระบายความร้อนหลายช่องภายในใบพัด (การออกแบบหลายโพรง)

การออกแบบหลายช่องไม่เพียงแต่เพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนแบบคอนเวกทีฟระหว่างอากาศเย็นและพื้นผิวด้านในของใบพัดเทอร์ไบน์ แต่ยังเพิ่มพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมด เพิ่มการไหลภายในและการแลกเปลี่ยนความร้อนในเวลา และมีอัตราการใช้งานอากาศเย็นสูง การทำความเย็นสามารถปรับปรุงได้โดยการจัดสรรกระแสอากาศเย็นอย่างเหมาะสม แน่นอนว่าการออกแบบหลายช่องยังมีข้อเสีย เนื่องจากระยะทางการหมุนเวียนของอากาศเย็นยาว พื้นที่การหมุนเวียนเล็ก และมีการโค้งของกระแสอากาศหลายครั้ง แรงต้านการไหลจะเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบที่ซับซ้อนนี้ยังเพิ่มความยากในการประมวลผลและทำให้ต้นทุนสูงขึ้น

（3）โครงสร้างเร็บช่วยเพิ่มการถ่ายโอนความร้อนแบบคอนเวกทีฟและการระบายความร้อนด้วยเสาสปอยเลอร์

แต่ละซี่โครงในโครงสร้างซี่โครงทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบที่รบกวนการไหล ทำให้ของเหลุกละเหยจากชั้นขอบเขตและเกิด votices ที่มีความแรงและความใหญ่แตกต่างกัน เหล่านี้ votices เปลี่ยนโครงสร้างการไหลของของเหลว และกระบวนการถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากผ่านการเพิ่มความอลหม่านของของเหลวในพื้นที่ใกล้ผนังและการแลกเปลี่ยนมวลแบบเป็นจังหวะระหว่าง votices ขนาดใหญ่กับกระแสน้ำหลัก

การระบายความร้อนด้วยเสา Spoiler มีซี่โครงทรงกระบอกหลายแถวเรียงกันภายในช่องระบายความร้อนภายในตามวิธีการเฉพาะ ซี่โครงทรงกระบอกเหล่านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน แต่ยังเพิ่มการผสมกันของอากาศเย็นในพื้นที่ต่าง ๆ เนื่องจากการรบกวนของการไหล ซึ่งสามารถเพิ่มผลลัพธ์การถ่ายเทความร้อนได้อย่างมาก

การระบายความร้อนด้วยฟิล์ม

การระบายความร้อนด้วยฟิล์มอากาศคือการเป่าอากาศเย็นออกจากช่องหรือช่องว่างบนพื้นผิวที่ร้อนและสร้างชั้นฟิล์มอากาศเย็นบนพื้นผิวที่ร้อนเพื่อป้องกันไม่ให้แก๊สที่ร้อนทำให้ผนังของแข็งร้อนขึ้น เนื่องจากฟิล์มอากาศเย็นบล็อกการสัมผัสระหว่างกระแสอากาศหลักกับพื้นผิวการทำงาน จึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการกันความร้อนและการกันการกัดกร่อน ดังนั้นบางเอกสารเรียกการระบายความร้อนแบบนี้ว่า การระบายความร้อนแบบบาร์เรีย

ปากกาของระบบการระบายความร้อนด้วยฟิล์มมักจะเป็นรูกลมหรือแถวของรูกลม และบางครั้งก็ทำเป็นช่องสองมิติ ในโครงสร้างการระบายความร้อนจริง มักจะมีมุมเฉพาะระหว่างปากกาและพื้นผิวที่ถูกทำความเย็น

การศึกษาจำนวนมากเกี่ยวกับรูกลมในช่วงทศวรรษ 1990 แสดงให้เห็นว่า อัตราส่วนการเป่า (อัตราส่วนของกระแสเจ็ตหนาแน่นต่อกระแสน้ำหลัก) จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของการทำเย็นด้วยฟิล์มแบบอะดิอาเบติกของรูกลมแถวเดียว เมื่อกระแสอากาศเย็นเข้าสู่พื้นที่ก๊าซอุณหภูมิสูงของกระแสน้ำหลัก จะเกิดคู่วนหมุนทั้งในทิศทางเดียวกันและตรงข้าม หรือที่เรียกว่าคู่วนหมุนรูปไต้ เมื่ออากาศที่ถูกเป่ามีความเร็วค่อนข้างสูง นอกจากจะเกิดวนหมุนในทิศทางเดียวกันแล้ว กระแสน้ำทิศทางออกยังอาจเกิดวนหมุนตรงข้ามได้อีกด้วย วนหมุนตรงข้ามนี้จะดึงก๊าซอุณหภูมิสูงจากกระแสน้ำหลักมาสู่ขอบท้ายของช่องใบพัด ซึ่งจะลดประสิทธิภาพของการทำเย็นด้วยฟิล์มลง