Türbin Temelleri - Türbin ve Alet Soğutma Teknolojisi

Eksenel akış türbini yapısı

Bir türbin, işleyen sıvının entalpisini mekanik enerjiye dönüştüren döner bir güç makinesidir. Uçak motorlarının, gaz türbinlerinin ve buhar türbinlerinin ana bileşenlerinden biridir. Türbinler ile kompresörler ve hava akımı arasındaki enerji dönüşümü prosedür olarak zıttır. Kompresör çalışırken mekanik enerjiyi tüketir ve hava akımı kompresörden geçerken mekanik enerji kazanır; basınç ve entalpi artar. Türbin çalışırken, türbin ekseni tarafından eksen işi üretilir. Eksen işinin bir kısmı, yuvalarda olan sürtünmeyi aşmak ve eşyaları çalıştırmak için kullanılırken, geri kalanı kompresör tarafından emilir.

Burada sadece eksenel akış türbinleri ele alınmaktadır. Gaz türbini motorda bulunan türbin genellikle birden fazla aşamadan oluşur, ancak dönen impalara ön tarafta stator (sop vana ya da rehber) yerleştirilir. Türbin elemanı aşamasının bıçak kanalı yakıcı ve yakıtsız gazın sıcaklığından dolayı daralır ve bu durumda yanma odasından gelen yüksek sıcaklıklı ve yüksek basınçlı gaz genişler ve hızlanır, böylece türbin mekanik iş üretir.

Türbin bıçağının dış yüzeyinin ısı transferi özellikleri

Gaz ile bıçak yüzeyi arasındaki konvektif ısı transfer katsayısı, Newton soğutma formülü kullanılarak hesaplanır.

Basınç yüzeyi ve emme yüzeyi için, konvektif ısı transfer katsayısı bıçağın ön kenarında en yüksektir. Laminar sınır tabakası gradual olarak kalınlaştıkça, konvektif ısı transfer katsayısı da gradual olarak azalır; geçiş noktası yerinde, konvektif ısı transfer katsayısı ani bir artış gösterir; turbulent sınır tabakasına geçtikten sonra, viskoz taban tabakası gradual olarak kalınlaştıkça, konvektif ısı transfer katsayısı da gradual olarak azalır. Emme yüzeyi için, arka bölgede olabilecek akış ayrılması, konvektif ısı transfer katsayısının hafifçe artmasına neden olacaktır.

Şok Soğutma

Impingement soğutma, bir veya daha fazla soğuk hava akışını sıcak yüzeye etkileyerek etki alanında güçlü bir konveksiyon ısı transferi oluşturmak için kullanılır. Impingement soğutmasının özelliği, soğuk hava akışı etkisi olan duraklama bölgesi duvar yüzeyinde yüksek bir ısı aktarım katsayısı olmasıdır, bu nedenle bu soğutma yöntemi yüzeye odaklı soğutma uygulamak için kullanılabilir.

Turbine kabuğu ön kenarının iç yüzeyindeki impingement soğutması, sınırlı alanlı impingement soğutmasıdır ve jet (soğuk hava akımı) çevresel havayla serbestçe karışamaz. Aşağıda, tek delikli düz hedef üzerine yapılan impingement soğutması tanıtılmaktadır ki bu da impingement akışının ve ısı transferinin etkilerini incelemek için temel oluşturmaktadır.

Tek delikli dikey etki düzlem hedefinin akışı yukarıdaki şemada gösterilmiştir. Düzlem hedef yeterince büyük ve herhangi bir rotasyona sahip değildir, ayrıca yüzeyde başka bir kesit akış sıvısı da yoktur. Dziil ve hedef yüzeyi arasındaki mesafe oldukça yakınsa, jetin çıkış kesiti serbest bir jet olarak kabul edilebilir, yani çekirdek kesimi ( Ⅰ ) ve taban kesimi ( Ⅱ ) şeklindedir. Jet hedef yüzeye yaklaşırken, jetin dış sınır çizgisi doğru ile eğri arasında değişmeye başlar ve jet dönme bölgesine girer ( Ⅲ ), aynı zamanda statik bölge olarak da adlandırılır. Statik bölgede, jet hedef yüzeyine dik olan bir akıştan hedef yüzeyine paralel olan bir akışa geçiş yapar. Jet tam anlamıyla 90 ° Dönüş, duvar jet bölgesine (IV) girer. Bir sonraki bölüme gelindiğinde, sıvı hedef yüzeye paralel akar ve dış sınırı bir düz çizgi olarak kalır. Duvara yakın yerde çok ince bir laminar sınır tabakası bulunur. Jet, büyük miktarda soğuk hava taşır ve varış hızı çok yüksektir. Duraksama bölgesindeki türbülans da çok büyüktür, bu nedenle etki sermesi ile ilgili ısı transfer katsayısı çok yüksektir.

Konveksiyon Soğutma

（1）Kanatın içindaki radial doğrudan soğutma kanalı

Soğutma havası, reaksiyon vanosunun iç boşluğundan radyal olarak akarak konveksiyon ısı transferi yoluyla ısı emerek kanadın sıcaklığını düşürür. Ancak belirli bir soğutma hava hacmi koşulu altında bu yöntemin konveksiyon ısı transfer katsayısı düşük olduğundan soğutma etkisi sınırlıdır.

(2) Kanadın içindeki birden fazla soğutma kanalı (çok boşluklu tasarım)

Çoklu boşluk tasarımı, sadece soğuk hava ile turbin kabuğu iç yüzeyi arasındaki konvektif ısı transfer katsayısını artırırken, aynı zamanda toplam ısı değiştirme alanını da artırır, iç akım ve ısı değiştirme süresini uzatarak ve yüksek soğuk hava kullanım oranına sahiptir. Soğutma etkisi, soğuk hava akışını mantıklı bir şekilde dağıtmak suretiyle artırılabilir. Tabii ki, çoklu boşluk tasarımı da dezavantajları vardır. Soğutma hava dolaşım mesafesi uzun, dolaşım alanı küçük ve hava akımı birçok dönüş yapmasından dolayı akış direnci artar. Bu karmaşık yapı Ayrıca işleme zorluklarını artırır ve maliyetleri daha yüksektir.

（3）Kemikli yapı, konvektif ısı transferini güçlendirir ve spoiler sütun soğutmasını sağlar

Kas yapısı içindeki her bir kas, akışın sınır tabakasından ayrılması neden olacak şekilde bir akış bozulma elemanı olarak çalışır ve farklı güçlere ve boyutlara sahip virajlar oluşturur. Bu virajlar, sıvının akış yapısını değiştirir ve duvar yakınındaki bölgedeki sıvı türbülansının artmasıyla ve büyük virajlar ile ana akım arasındaki periyodik kütle değişimiyle ısı transferi süreci önemli ölçüde artırılır.

Spoiler sütunu soğutması, iç soğutma kanalında belirli bir şekilde düzenlenmiş çoklu satırlar halinde silindirik kaslar kullanmaktır. Bu silindirik kaslar, ısı değiştirme alanını artırma konusunda yalnız değillerdir, aynı zamanda farklı bölgelerdeki soğuk hava arasında akışın bozulmasından kaynaklanan karşılıklı karışımı da artırır, bu da ısı transfer etkisini önemli ölçüde artırabilir.

Film Soğutma

Hava filmi soğutması, sıcak yüzeyden delikler veya boşluklar aracılığıyla soğuk hava üflemesi ve sıcak gazın katı duvarı ısıtmasını engellemek için sıcak yüzeye bir soğuk hava filmi tabakası oluşturmaktır. Soğuk hava filmi, ana akım hava ile çalışma yüzeyi arasındaki teması engellediği için, bu yöntem bazı kaynaklarda aynı zamanda 'engel soğutma' olarak adlandırılır ve bu sayede yalıtım ve korozyon önleme amaçlarını gerçekleştirmiştir.

Film soğutmasının ağızları genellikle yuvarlak delikler veya yuvarlak delik satırları olabilir ve bazen iki boyutlu fasilere dönüştürülebilir. Gerçekleşen soğutma yapılarında, ağız ile soğutulan yüzey arasında genellikle belirli bir açı vardır.

1990'larda silindirik delikler üzerine yapılan birçok çalışmadan elde edilen sonuçlar, jet akışının yoğunluğunun ana akımına oranı (esneme oranı) tek sıra silindirik deliklerin adiabatik film soğutma etkisini önemli ölçüde etkileyeceğini göstermiştir. Soğuk hava jeti yüksek sıcaklıklı ana akım gaz bölgesindeyse, bu durumda ileri ve geri dönüştürme vorteks çiftleri oluşturulur ki bu da böbrek şekilli bir vorteks çifti olarak bilinir. Esneme oranının nispeten yüksek olması durumunda, ileri vortekslerin yanı sıra, dışarıdaki akış ters yönde dönen vorteksler de oluşturacaktır. Bu ters vorteks ana akımdaki yüksek sıcaklıklı gazları yakalayarak bıçak geçidinin trailing kenarına getirecek ve bu da film soğutma etkisini azaltacaktır.