Mga Pangunahing Kaalaman sa Turbine - Turbine at Blade Cooling Technology

Axial flow turbine structure

Ang turbine ay isang rotary power machine na nagpapalit ng enthalpy ng isang gumaganang likido sa mekanikal na enerhiya. Ito ay isa sa mga pangunahing bahagi ng mga makina ng sasakyang panghimpapawid, mga gas turbine, at mga steam turbine. Ang conversion ng enerhiya sa pagitan ng mga turbine at compressor at airflow ay kabaligtaran sa pamamaraan. Ang compressor ay gumagamit ng mekanikal na enerhiya kapag ito ay tumatakbo, at ang airflow ay nakakakuha ng mekanikal na enerhiya kapag ito ay dumadaloy sa compressor, at ang presyon at enthalpy ay tumaas. Kapag ang turbine ay tumatakbo, ang shaft work ay output mula sa turbine shaft. Ang bahagi ng gawaing baras ay ginagamit upang mapagtagumpayan ang alitan sa mga bearings at itaboy ang mga accessory, at ang natitira ay hinihigop ng compressor.

Tanging axial flow turbines ang tinatalakay dito. Ang turbine sa isang gas turbine engine ay karaniwang binubuo ng maraming yugto, ngunit ang stator (nozzle ring o guide) ay matatagpuan sa harap ng umiikot na impeller. Ang blade channel ng yugto ng elemento ng turbine ay convergent, at ang mataas na temperatura at mataas na presyon ng gas mula sa combustion chamber ay lumalawak at bumibilis dito, habang ang turbine ay naglalabas ng mekanikal na gawain.

Mga katangian ng paglipat ng init ng panlabas na ibabaw ng talim ng turbine

Ang convective heat transfer coefficient sa pagitan ng gas at ng blade surface ay kinakalkula gamit ang Newton cooling formula.

Para sa pressure surface at suction surface, ang convective heat transfer coefficient ay ang pinakamataas sa nangungunang gilid ng blade. Habang unti-unting lumalapot ang layer ng hangganan ng laminar, unti-unting bumababa ang convective heat transfer coefficient; sa transition point, biglang tumaas ang convective heat transfer coefficient; pagkatapos ng paglipat sa magulong layer ng hangganan, habang ang malapot na ilalim na layer ay unti-unting lumapot, ang convective heat transfer coefficient ay unti-unting bumababa. Para sa suction surface, ang paghihiwalay ng daloy na maaaring mangyari sa likurang seksyon ay magiging sanhi ng bahagyang pagtaas ng convective heat transfer coefficient.

Paglamig ng Shock

Ang impingement cooling ay ang paggamit ng isa o higit pang malamig na air jet upang maapektuhan ang mainit na ibabaw, na bumubuo ng isang malakas na convection heat transfer sa lugar ng epekto. Ang katangian ng impingement cooling ay mayroong mataas na heat transfer coefficient sa ibabaw ng dingding ng lugar ng pagwawalang-kilos kung saan nakakaapekto ang malamig na daloy ng hangin, kaya ang paraan ng paglamig na ito ay maaaring gamitin upang ilapat ang nakatutok na paglamig sa ibabaw.

Ang impingement cooling ng inner surface ng nangungunang gilid ng turbine blade ay isang limitadong space impingement cooling, at ang jet (cold air flow) ay hindi malayang makakahalo sa nakapaligid na hangin. Ang sumusunod ay nagpapakilala sa impingement cooling ng isang single-hole plane target, na siyang batayan para sa pag-aaral ng epekto ng impingement flow at heat transfer.

Ang daloy ng isang solong butas na vertical impact plane target ay ipinapakita sa figure sa itaas. Ang target ng eroplano ay sapat na malaki at walang pag-ikot, at walang ibang cross-flow fluid sa ibabaw. Kapag ang distansya sa pagitan ng nozzle at ang target na ibabaw ay hindi masyadong malapit, ang isang seksyon ng jet outlet ay maaaring ituring bilang isang libreng jet, lalo na ang pangunahing seksyon (ⅰ) at ang base section (Ⅱ) sa figure. Kapag ang jet ay lumalapit sa target na ibabaw, ang panlabas na boundary line ng jet ay nagsisimulang magbago mula sa isang tuwid na linya patungo sa isang curve, at ang jet ay pumapasok sa turning zone (Ⅲ), tinatawag ding stagnation zone. Sa stagnation zone, kinukumpleto ng jet ang paglipat mula sa isang daloy na patayo sa target na ibabaw patungo sa isang daloy na parallel sa target na ibabaw. Matapos makumpleto ng jet ang isang 90° pagliko, papasok ito sa wall jet zone (IV) ng susunod na seksyon. Sa wall jet zone, ang likido ay dumadaloy nang kahanay sa target na ibabaw, at ang panlabas na hangganan nito ay nananatiling isang tuwid na linya. Malapit sa dingding ay isang napakanipis na laminar boundary layer. Ang jet ay nagdadala ng isang malaking halaga ng malamig na hangin, at ang bilis ng pagdating ay napakataas. Napakalaki din ng turbulence sa stagnation zone, kaya napakataas ng heat transfer coefficient ng impact cooling.

Pagpapalamig ng Convection

（1）Radial direct cooling channel sa loob ng blade

Direktang dumadaloy ang cooling air sa inner cavity ng guide vane sa radial direction, sumisipsip ng init sa pamamagitan ng convection heat transfer upang mabawasan ang temperatura ng blade body. Gayunpaman, sa ilalim ng kondisyon ng isang tiyak na dami ng cooling air, ang convection heat transfer coefficient ng pamamaraang ito ay mababa at ang cooling effect ay limitado.

(2) Maramihang mga cooling channel sa loob ng blade (multi-cavity design)

Ang multi-cavity na disenyo ay hindi lamang nagpapataas ng convective heat transfer coefficient sa pagitan ng malamig na hangin at ng panloob na ibabaw ng turbine blade, ngunit pinapataas din ang kabuuang lugar ng pagpapalitan ng init, pinatataas ang panloob na daloy at oras ng pagpapalitan ng init, at may mataas na malamig na hangin. rate ng paggamit. Ang epekto ng paglamig ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng makatwirang pamamahagi ng malamig na daloy ng hangin. Siyempre, ang disenyo ng multi-cavity ay mayroon ding mga disadvantages. Dahil sa mahabang paglamig na distansya ng sirkulasyon ng hangin, maliit na lugar ng sirkulasyon, at maraming pagliko ng daloy ng hangin, tataas ang resistensya ng daloy. Ang kumplikadong istraktura na ito ay nagdaragdag din sa kahirapan sa pagproseso ng proseso at ginagawang mas mataas ang gastos.

(3)Pinahuhusay ng istraktura ng rib ang convective heat transfer at paglamig ng spoiler column

Ang bawat tadyang sa istraktura ng tadyang ay nagsisilbing elemento ng pagkagambala sa daloy, na nagiging sanhi ng pag-alis ng likido mula sa boundary layer at bumubuo ng mga vortices na may iba't ibang lakas at laki. Binabago ng mga vortice na ito ang istraktura ng daloy ng fluid, at ang proseso ng paglipat ng init ay makabuluhang pinahusay sa pamamagitan ng pagtaas ng fluid turbulence sa malapit sa pader na lugar at ang panaka-nakang pagpapalitan ng masa sa pagitan ng malalaking vortices at mainstream.

Ang spoiler column cooling ay ang pagkakaroon ng maraming row ng cylindrical ribs na nakaayos sa isang tiyak na paraan sa loob ng inner cooling channel. Ang mga cylindrical ribs na ito ay hindi lamang nagpapataas ng lugar ng palitan ng init, ngunit pinapataas din ang mutual na paghahalo ng malamig na hangin sa iba't ibang lugar dahil sa pagkagambala ng daloy, na maaaring makabuluhang tumaas ang epekto ng paglipat ng init.

Pagpapalamig ng Pelikula

Ang paglamig ng air film ay ang pagbuga ng malamig na hangin mula sa mga butas o mga puwang sa mainit na ibabaw at bumubuo ng isang layer ng malamig na air film sa mainit na ibabaw upang harangan ang pag-init ng solidong pader ng mainit na gas. Dahil hinaharangan ng malamig na air film ang contact sa pagitan ng pangunahing daloy ng hangin at ng gumaganang ibabaw, nakakamit nito ang layunin ng pagkakabukod ng init at pag-iwas sa kaagnasan, kaya tinatawag din ng ilang literatura ang cooling method na barrier cooling.

Ang mga nozzle ng film cooling ay karaniwang mga bilog na butas o mga hilera ng mga bilog na butas, at kung minsan ang mga ito ay ginagawang dalawang-dimensional na mga puwang. Sa aktwal na mga istraktura ng paglamig, karaniwang mayroong isang tiyak na anggulo sa pagitan ng nozzle at ibabaw na pinapalamig.

Ang isang malaking bilang ng mga pag-aaral sa cylindrical hole noong 1990s ay nagpakita na ang blowing ratio (ang ratio ng siksik na daloy ng jet sa mainstream) ay makabuluhang makakaapekto sa adiabatic film cooling effect ng isang solong hilera ng cylindrical hole. Matapos makapasok ang malamig na air jet sa pangunahing lugar ng gas na may mataas na temperatura, bubuo ito ng pares ng pasulong at pabalik na umiikot na pares ng vortex, na kilala rin bilang isang pares ng vortex na hugis bato. Kapag medyo mataas ang ihip ng hangin, bukod pa sa mga forward vortices, ang outflow ay bubuo din ng counter-rotating vortices. Ang reverse vortex na ito ay kukuha ng mataas na temperatura na gas sa mainstream at dadalhin ito sa trailing edge ng blade passage, at sa gayon ay mababawasan ang film cooling effect.