Основи турбіни - технологія охолодження турбіни та лопатей Україна

Конструкція осьової турбіни

Турбіна — це обертова енергетична машина, яка перетворює ентальпію робочого тіла в механічну енергію. Це один з основних компонентів авіаційних двигунів, газових і парових турбін. Перетворення енергії між турбінами та компресорами та потоком повітря протилежне за процедурою. Компресор споживає механічну енергію, коли він працює, і потік повітря отримує механічну енергію, коли він проходить через компресор, і тиск і ентальпія зростають. Коли турбіна працює, робота валу виходить з валу турбіни. Частина роботи вала використовується для подолання тертя на підшипниках і приводу аксесуарів, а решта поглинається компресором.

Тут розглядаються лише осьові турбіни. Турбіна в газотурбінному двигуні зазвичай складається з кількох ступенів, але статор (кільце сопла або направляюча) розташоване перед робочим колесом, що обертається. Канал лопатки ступіні елемента турбіни збіжний, і газ високої температури і високого тиску з камери згоряння розширюється і прискорюється в ньому, а турбіна виробляє механічну роботу.

Характеристики теплопередачі зовнішньої поверхні лопатки турбіни

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі між газом і поверхнею лопаті розраховується за формулою охолодження Ньютона.

Для поверхні тиску та поверхні всмоктування коефіцієнт конвективної тепловіддачі найвищий на передній кромці лопаті. У міру поступового потовщення ламінарного прикордонного шару коефіцієнт конвективної тепловіддачі поступово зменшується; в точці переходу коефіцієнт конвективної теплопередачі раптово зростає; після переходу в турбулентний прикордонний шар у міру поступового потовщення в'язкого придонного шару коефіцієнт конвективної тепловіддачі поступово зменшується. Для поверхні всмоктування розділення потоку, яке може виникнути в задній частині, призведе до незначного збільшення коефіцієнта конвективної теплопередачі.

Шокове охолодження

Ударне охолодження полягає у використанні одного або кількох струменів холодного повітря для впливу на гарячу поверхню, утворюючи сильний конвекційний теплообмін у зоні удару. Характеристика ударного охолодження полягає в тому, що існує високий коефіцієнт теплопередачі на поверхні стіни зони застою, куди впливає потік холодного повітря, тому цей метод охолодження можна використовувати для застосування цілеспрямованого охолодження до поверхні.

Ударне охолодження внутрішньої поверхні передньої кромки лопатки турбіни є обмеженим просторовим охолодженням, і струмінь (потік холодного повітря) не може вільно змішуватися з навколишнім повітрям. Нижче описано ударне охолодження плоскої мішені з одним отвором, яке є основою для вивчення впливу ударного потоку та теплопередачі.

На малюнку вище показано течію вертикальної ударної цілі з одним отвором. Плоска мішень досить велика і не має обертання, а на поверхні немає іншої рідини з перехресним потоком. Коли відстань між соплом і цільовою поверхнею не дуже близька, ділянку виходу струменя можна розглядати як вільний струмінь, а саме ділянку серцевини (ⅰ) і базова секція (ⅱ) на малюнку. При наближенні струменя до поверхні мішені зовнішня гранична лінія струменя починає змінюватися з прямої на криву, і струмінь потрапляє в зону повороту (ⅲ), яку також називають зоною застою. У зоні застою струмінь завершує перехід від течії, перпендикулярної поверхні мішені, до течії, паралельної поверхні мішені. Після того, як літак досягає 90° повороту, він потрапляє в зону струменя стінки (IV) наступної секції. У зоні пристінного струменя рідина тече паралельно поверхні мішені, а її зовнішня межа залишається прямою. Біля стінки знаходиться надзвичайно тонкий ламінарний прикордонний шар. Струмінь несе велику кількість холодного повітря, швидкість прильоту дуже висока. Турбулентність у зоні застою також дуже велика, тому коефіцієнт теплопередачі ударного охолодження дуже високий.

Конвекційне охолодження

（1）Радіальний канал прямого охолодження всередині леза

Охолоджуюче повітря проходить безпосередньо через внутрішню порожнину направляючої лопатки в радіальному напрямку, поглинаючи тепло за допомогою конвекційної теплопередачі для зниження температури корпусу лопаті. Однак за умови певного об’єму охолоджуючого повітря коефіцієнт конвекційної теплопередачі цього методу є низьким, а ефект охолодження обмежений.

(2) Кілька каналів охолодження всередині леза (конструкція з кількома порожнинами)

Конструкція з декількома порожнинами не тільки збільшує коефіцієнт конвективної теплопередачі між холодним повітрям і внутрішньою поверхнею лопаті турбіни, але також збільшує загальну площу теплообміну, збільшує внутрішній потік і час теплообміну, а також має високу холодне повітря. коефіцієнт використання. Ефект охолодження можна покращити шляхом розумного розподілу потоку холодного повітря. Звичайно, багатопорожнинна конструкція має і недоліки. Завдяки великій відстані циркуляції охолоджуючого повітря, малій площі циркуляції та численним поворотам повітряного потоку опір потоку збільшиться. Ця складна структура також ускладнює процес обробки та підвищує вартість.

(3)Реберна структура покращує конвективну теплопередачу та охолодження колони спойлера

Кожне ребро в структурі ребра діє як елемент збурення потоку, змушуючи рідину відриватися від прикордонного шару та утворювати вихори різної сили та розміру. Ці вихори змінюють структуру потоку рідини, і процес теплообміну значно посилюється завдяки збільшенню турбулентності рідини в пристінній зоні та періодичному масовому обміну між великими вихорами та основним потоком.

Спойлерна колона охолодження має кілька рядів циліндричних ребер, розташованих певним чином усередині внутрішнього каналу охолодження. Ці циліндричні ребра не тільки збільшують площу теплообміну, але також збільшують взаємне перемішування холодного повітря в різних зонах за рахунок збурення потоку, що може істотно збільшити ефект теплообміну.

Плівкове охолодження

Повітряно-плівкове охолодження полягає у видуванні холодного повітря з отворів або щілин на гарячій поверхні та утворенні шару плівки холодного повітря на гарячій поверхні, щоб блокувати нагрівання твердої стінки гарячим газом. Оскільки плівка холодного повітря блокує контакт між основним потоком повітря та робочою поверхнею, це забезпечує теплоізоляцію та запобігання корозії, тому в деяких джерелах цей метод охолодження також називають бар’єрним охолодженням.

Форсунки плівкового охолодження зазвичай мають круглі отвори або ряди круглих отворів, іноді вони виконані у вигляді двовимірних прорізів. У фактичних охолоджуючих структурах зазвичай існує певний кут між соплом і поверхнею, що охолоджується.

Велика кількість досліджень циліндричних отворів у 1990-х роках показала, що коефіцієнт видування (співвідношення щільного потоку струменя до основного потоку) суттєво впливатиме на ефект адіабатичного охолодження плівки одного ряду циліндричних отворів. Після того, як струмінь холодного повітря потрапить у зону високотемпературного газу основного потоку, він утворить пару вихрових пар, що обертаються вперед і назад, також відомих як ниркоподібна вихрова пара. Коли вдування повітря відносно високе, окрім прямих вихорів, вихідний потік також утворюватиме вихори, що обертаються протилежно. Цей зворотний вихор захопить високотемпературний газ у основному потоці та приведе його до задньої кромки проходу лопаті, тим самим зменшуючи ефект охолодження плівки.