Türbin Temelleri - Türbin ve Kanat Soğutma Teknolojisi Türkiye

Eksenel akışlı türbin yapısı

Türbin, bir çalışma sıvısının entalpisini mekanik enerjiye dönüştüren döner bir güç makinesidir. Uçak motorlarının, gaz türbinlerinin ve buhar türbinlerinin ana bileşenlerinden biridir. Türbinler ve kompresörler ile hava akışı arasındaki enerji dönüşümü prosedürde zıttır. Kompresör çalışırken mekanik enerji tüketir ve hava akışı kompresörden geçtiğinde mekanik enerji kazanır ve basınç ve entalpi artar. Türbin çalışırken, türbin şaftından şaft işi çıkar. Şaft işinin bir kısmı yataklardaki sürtünmeyi yenmek ve aksesuarları çalıştırmak için kullanılır ve geri kalanı kompresör tarafından emilir.

Burada yalnızca eksenel akış türbinleri ele alınmaktadır. Bir gaz türbini motorundaki türbin genellikle birden fazla aşamadan oluşur, ancak stator (nozul halkası veya kılavuz) dönen pervanenin önünde yer alır. Türbin eleman aşamasının kanat kanalı yakınsaktır ve yanma odasından gelen yüksek sıcaklık ve yüksek basınç gazı içinde genişler ve hızlanırken türbin mekanik iş üretir.

Türbin kanat dış yüzeyinin ısı transfer özellikleri

Gaz ile kanat yüzeyi arasındaki taşınım ısı transfer katsayısı Newton soğutma formülü kullanılarak hesaplanır.

Basınç yüzeyi ve emme yüzeyi için, konvektif ısı transfer katsayısı, kanadın ön kenarında en yüksektir. Laminer sınır tabakası giderek kalınlaştıkça, konvektif ısı transfer katsayısı giderek azalır; geçiş noktasında, konvektif ısı transfer katsayısı aniden artar; türbülanslı sınır tabakasına geçişten sonra, viskoz alt tabaka giderek kalınlaştıkça, konvektif ısı transfer katsayısı giderek azalır. Emme yüzeyi için, arka bölümde meydana gelebilecek akış ayrımı, konvektif ısı transfer katsayısının hafifçe artmasına neden olacaktır.

Şok Soğutma

Çarpma soğutması, sıcak yüzeye çarpmak için bir veya daha fazla soğuk hava jeti kullanmak ve çarpma alanında güçlü bir konveksiyon ısı transferi oluşturmaktır. Çarpma soğutmasının özelliği, soğuk hava akışının çarptığı durgunluk alanının duvar yüzeyinde yüksek bir ısı transfer katsayısı olmasıdır, bu nedenle bu soğutma yöntemi yüzeye odaklanmış soğutma uygulamak için kullanılabilir.

Türbin kanatlarının ön kenarının iç yüzeyinin çarpma soğutması sınırlı alan çarpma soğutmasıdır ve jet (soğuk hava akışı) çevredeki hava ile serbestçe karışamaz. Aşağıda, çarpma akışı ve ısı transferinin etkisini incelemenin temeli olan tek delikli bir düzlem hedefin çarpma soğutması tanıtılmaktadır.

Yukarıdaki şekilde tek delikli dikey darbeli düzlem hedefinin akışı gösterilmiştir. Düzlem hedef yeterince büyüktür ve dönüşü yoktur ve yüzeyde başka çapraz akışlı akışkan yoktur. Nozul ile hedef yüzey arasındaki mesafe çok yakın olmadığında, jet çıkışının bir bölümü serbest jet olarak kabul edilebilir, yani çekirdek bölümü (ⅰ) ve taban bölümü (Ⅱ) şekilde gösterilmiştir. Jet hedef yüzeye yaklaştığında, jetin dış sınır çizgisi düz bir çizgiden eğriye dönüşmeye başlar ve jet dönüş bölgesine girer (ⅲ), aynı zamanda durgunluk bölgesi olarak da adlandırılır. Durgunluk bölgesinde, jet hedef yüzeye dik bir akıştan hedef yüzeye paralel bir akışa geçişi tamamlar. Jet 90'lık bir° döner, bir sonraki bölümün duvar jet bölgesine (IV) girer. Duvar jet bölgesinde, akışkan hedef yüzeye paralel akar ve dış sınırı düz bir çizgi olarak kalır. Duvarın yakınında son derece ince bir laminer sınır tabakası vardır. Jet büyük miktarda soğuk hava taşır ve varış hızı çok yüksektir. Durgunluk bölgesindeki türbülans da çok büyüktür, bu nedenle darbe soğutmasının ısı transfer katsayısı çok yüksektir.

Konveksiyon Soğutma

（1）Bıçağın içindeki radyal doğrudan soğutma kanalı

Soğutma havası, kanat gövdesinin sıcaklığını düşürmek için konveksiyon ısı transferi yoluyla ısıyı emerek, kılavuz kanatçığın iç boşluğundan doğrudan radyal yönde akar. Ancak, belirli bir soğutma havası hacmi koşulu altında, bu yöntemin konveksiyon ısı transfer katsayısı düşüktür ve soğutma etkisi sınırlıdır.

(2) Bıçağın içinde birden fazla soğutma kanalı (çoklu boşluk tasarımı)

Çok boşluklu tasarım, sadece soğuk hava ile türbin kanatlarının iç yüzeyi arasındaki konvektif ısı transfer katsayısını artırmakla kalmaz, aynı zamanda toplam ısı değişim alanını artırır, iç akışı ve ısı değişim süresini artırır ve yüksek bir soğuk hava kullanım oranına sahiptir. Soğuk hava akışını makul bir şekilde dağıtarak soğutma etkisi iyileştirilebilir. Elbette, çok boşluklu tasarımın dezavantajları da vardır. Uzun soğutma havası sirkülasyon mesafesi, küçük sirkülasyon alanı ve hava akışının birden fazla dönüşü nedeniyle akış direnci artacaktır. Bu karmaşık yapı ayrıca işlem işleme zorluğunu artırır ve maliyeti daha yüksek hale getirir.

(3)Kaburga yapısı konvektif ısı transferini ve spoyler kolonu soğutmasını artırır

Kaburga yapısındaki her kaburga, akışkanın sınır tabakasından ayrılmasına ve farklı güç ve boyutlarda girdaplar oluşturmasına neden olan bir akış bozucu eleman görevi görür. Bu girdaplar akışkanın akış yapısını değiştirir ve ısı transferi süreci, yakın duvar alanındaki akışkan türbülansındaki artış ve büyük girdaplar ile ana akım arasındaki periyodik kütle değişimi yoluyla önemli ölçüde iyileştirilir.

Spoiler kolon soğutması, iç soğutma kanalının içinde belirli bir şekilde düzenlenmiş birden fazla sıra silindirik kaburgaya sahip olmaktır. Bu silindirik kaburgalar yalnızca ısı değişim alanını artırmakla kalmaz, aynı zamanda akışın bozulması nedeniyle farklı alanlardaki soğuk havanın karşılıklı karışmasını da artırır, bu da ısı transferi etkisini önemli ölçüde artırabilir.

Film Soğutma

Hava filmi soğutması, sıcak yüzeydeki deliklerden veya boşluklardan soğuk hava üflemek ve sıcak gazın katı duvarın ısınmasını engellemek için sıcak yüzeyde bir soğuk hava filmi tabakası oluşturmaktır. Soğuk hava filmi ana hava akışı ile çalışma yüzeyi arasındaki teması engellediğinden, ısı yalıtımı ve korozyon önleme amacına ulaşır, bu nedenle bazı literatür bu soğutma yöntemine bariyer soğutması da der.

Film soğutma nozulları genellikle yuvarlak delikler veya yuvarlak delik sıralarıdır ve bazen iki boyutlu yuvalara dönüştürülürler. Gerçek soğutma yapılarında, nozul ile soğutulan yüzey arasında genellikle belirli bir açı vardır.

1990'larda silindirik delikler üzerinde yapılan çok sayıda çalışma, üfleme oranının (jetin yoğun akışının ana akıma oranı) tek sıra silindirik deliğin adiabatik film soğutma etkisini önemli ölçüde etkileyeceğini göstermiştir. Soğuk hava jeti ana akım yüksek sıcaklıklı gaz alanına girdikten sonra, böbrek şeklindeki girdap çifti olarak da bilinen bir çift ileri ve geri dönen girdap çifti oluşturacaktır. Üflenen hava nispeten yüksek olduğunda, ileri girdaplara ek olarak, dışarı akış da ters yönde dönen girdaplar oluşturacaktır. Bu ters girdap, ana akımdaki yüksek sıcaklıklı gazı hapsedecek ve onu kanat geçişinin arka kenarına getirecek ve böylece film soğutma etkisini azaltacaktır.