Основи турбіни - технологія охолодження турбіни та лопаток

Структура осевого потокового турбіна

Турбін - це відносна сила машина, яка перетворює ентальпію робочої рідини на механічну енергію. Вона є одним із головних компонентів літаківих двигунів, газових турбин і парових турбин. Процедура енергетичної конвертації між турбинами, компресорами та повітряним потоком є протилежною. Компресор споживає механічну енергію під час роботи, і повітряний потік набуває механічної енергії, коли він проходить через компресор, збільшуючи тиск і ентальпію. Коли турбін працює, з вісі турбіни виходять обертальні роботи. Частка цих обертальних робіт використовується для подолання тертя у підшипниках та приводу додаткового обладнання, а решта вберігається компресором.

Тут розглядаються тільки осьові турбіни. Турбіна у газотурбінному двигуні зазвичай складається з кількох етапів, але статор ( nozzle ring або гідnav) розташований перед обертаючимся імпелером. Лопатковий канал етапу турбінного елемента є збіжним, і високотемпературний та високотисковий газ із камери спалювання розширюється і прискорюється в ньому, поки турбіна видає механічну роботу.

Теплообмінні характеристики зовнішньої поверхні лопатки турбіни

Коефіцієнт конвективного теплообміну між газом і поверхнею лопатки обчислюється за формулою охолодження Ньютона.

Для тискової поверхні та поверхні всмоктування, коефіцієнт конвективного теплопередачі найвищий у передньому краю лопатки. Коли ламінарний межовий шар поступово загострюється, коефіцієнт конвективного теплопередачі поступово зменшується; у точці переходу коефіцієнт конвективного теплопередачі резко збільшується; після переходу до турбулентного межового шару, коли в'язка нижня частина поступово загострюється, коефіцієнт конвективного теплопередачі поступово зменшується. Для поверхні всмоктування можливе відшарування потоку у задньому сегменті, що призведе до легкого збільшення коефіцієнта конвективного теплопередачі.

Шокова охолода

Охолодження за допомогою потоків — це використання одного або кількох потоків холодного повітря для удару по гарячій поверхні, що створює сильний конвекційний теплопередач у зоні удару. Особливістю охолодження за допомогою потоків є високий коефіцієнт теплопередачі на стінці у зоні застереження, де потік холодного повітря зустрічається, тому цей метод охолодження можна використовувати для фокусованого охолодження поверхні.

Охолодження за допомогою потоків внутрішньої поверхні передньої краю турбінного лопатка є обмеженим простором охолодження за допомогою потоків, і потік (холодне повітря) не може вільно мішатися з оточуючим повітрям. Наступне розглядається охолодження за допомогою потоків одиночного отвору на площині цілі, що є основою для дослідження впливу потоків і теплопередачі.

Потік однодискової вертикальної впливової плоскої мішені показано на рисунку вище. Плоска мішень достатньо велика і не має обертання, і на її поверхні немає інших перетинних потоків рідини. Коли відстань між дузнем і поверхнею мішені не дуже близька, сегмент виходу струменя можна вважати вільним струменем, а саме ядром ( ⅰ ) і базовим сегментом ( ⅱ ) на рисунку. Коли струм приближається до поверхні мішені, зовнішня межа струменя починає змінюватися від прямої лінії до кривої, і струм заходить у зону обертання ( ⅲ ), також відому як зона застою. У зоні застою струм завершує перехід від потоку, перпендикулярного до поверхні мішені, до потоку, паралельного до поверхні мішені. Після того, як струм завершує поворот на 90 ° при повороті, вона потрапляє у зону стінкового джета (IV) наступного сегменту. У зоні стінкового джета рідина тече паралельно цільовій поверхні, а її зовнішня межа залишається прямолінійною. Наблизу стіни знаходиться екстремально тонка ламінарна межна шар. Джет несе велику кількість холодного повітря, і швидкість його прибуття дуже висока. Турбулентність у зоні застою також дуже велика, тому коефіцієнт теплопередачі при ударному охолодженні дуже високий.

Конвекційне охолодження

（1）Радіальний пряме канали охолодження всередині лопатки

Повітряний потік протікає напрямком радіуса через внутрішню порожнину спрямовувальної лопатки, поглинаючи тепло за допомогою конвекційної передачі тепла для зниження температури тіла лопатки. Проте, при певній кількості повітря для охолодження, коефіцієнт конвекційної передачі тепла цим методом низький, і ефект охолодження обмежений.

(2) Кілька каналів охолодження всередині лопатки (багатокамерний дизайн)

Багатокамерний дизайн не тільки збільшує коефіцієнт конвекційного теплопередачі між холодним повітрям і внутрішньою поверхнею лопатки турбіни, але й збільшує загальну площу теплового обміну, збільшує внутрішній потік та час теплообміну, а також має високий рівень використання холодного повітря. Ефективність охолодження можна покращити за допомогою раціонального розподілу потоку холодного повітря. Звичайно, багатокамерний дизайн також має недоліки. Через велику відстань циркуляції холодного повітря, невелику площу циркуляції та багато поворотів потоку повітря, опор сила зростає. Ця складна структура також збільшує складність обробки та робить вартість вищою.

（3）Ребриста структура покращує конвекційну теплопередачу та спойлерове стовпчасте охолодження

Кожна ребра в ребровій структурі діє як елемент збурення потоку, що призводить до відшарування рідини від межової шарики та утворення вихрів з різною силою та розміром. Ці вихори змінюють структуру потоку рідини, а процес передачі тепла значно покращується через збільшення турбулентності рідини в близькості до стіни та періодичний обмін масою між великими вихорями та головним потоком.

Охолодження за допомогою спойлерів передбачає наявність кількох рядів циліндричних ребер, розташованих певним чином всередині внутрішнього охолоджувального каналу. Ці циліндричні ребра не тільки збільшують площу теплового обміну, але й збільшують взаємне перемішування холодного повітря в різних областях завдяки збуренню потоку, що може значно підвищити ефективність передачі тепла.

Фільмове охолодження

Охолодження повітряною плівкою полягає у видуванні холодного повіtru з отворів або щілин на гарячій поверхнi, що утворює шар холодної повітряної плівки на гарячій поверхнi для блокування нагріву твердої стіни гарячим газом. Оскільки холодна повітряна плівка блокує контакт між головним потоком повітря і робочою поверхнею, досягається мета термоізоляції та захисту від корозії, тому деякі джерела також називають цей метод охолодження бар'єрним охолодженням.

Сопла плівкового охолодження зазвичай є круглими отворами або рядками круглих отворів, і іноді вони виготовляються у вигляді двовимірних щілин. У реальних охолоджувальних конструкціях зазвичай існує певний кут між соплом і охолоджувальною поверхнею.

Велика кількість досліджень щодо циліндричних отворів у 1990-их роках показала, що співвідношення надування (співвідношення густого потоку струменя до головного потоку) значно впливає на адіабатичний ефект фільмового охолодження однорядкових циліндричних отворів. Після того як холодний повітряний струм потрапляє до зони головного потоку високотемпературних газів, він утворює пару вихрів прямого та зворотнього обертання, також відомих як нирковий вихрь. Коли ступінь надування відносно високий, окрім прямих вихрів, вихідний потік також утворює зворотні вихрі. Цей зворотній вихір захоплює високотемпературні гази з головного потоку і переносить їх до задньої краю шляху лопатки, таким чином зменшуючи ефект фільмового охолодження.