Kiến thức cơ bản về tua-bin - Công nghệ làm mát tua-bin và lưỡi cánh

Cấu trúc tua-bin dòng trục

Máy phát turbin là một máy móc chuyển động quay, nó chuyển đổi entalpi của chất làm việc thành năng lượng cơ học. Đây là một trong những thành phần chính của động cơ máy bay, turbin khí và turbin hơi nước. Quá trình chuyển đổi năng lượng giữa turbin và máy nén cũng như dòng khí lưu ngược lại về mặt thủ tục. Máy nén tiêu thụ năng lượng cơ học khi nó hoạt động, và dòng khí nhận được năng lượng cơ học khi chảy qua máy nén, dẫn đến tăng áp suất và entalpi. Khi turbin hoạt động, công trục được tạo ra từ trục turbin. Một phần công trục được sử dụng để vượt qua ma sát trên các bạc đỡ và vận hành các phụ kiện, phần còn lại được hấp thụ bởi máy nén.

Chỉ bàn đến tuabin dòng trục ở đây. Tuabin trong động cơ tuabin khí thường gồm nhiều cấp, nhưng bộ phận tĩnh (vòng喷嘴 hoặc hướng dẫn) được đặt trước rotor quay. Kênh lưỡi của giai đoạn phần tử tuabin là hội tụ, và khí có nhiệt độ cao và áp suất cao từ buồng đốt giãn nở và tăng tốc trong đó, trong khi tuabin tạo ra công cơ học.

Đặc trưng truyền nhiệt của bề mặt ngoài lá tuabin

Hệ số chuyển nhiệt đối lưu giữa khí và bề mặt lá được tính bằng công thức làm mát Newton.

Đối với mặt chịu áp và mặt hút, hệ số truyền nhiệt đối lưu cao nhất ở mép trước của cánh quạt. Khi lớp biên laminar dần dày lên, hệ số truyền nhiệt đối lưu giảm dần; tại điểm chuyển tiếp, hệ số truyền nhiệt đối lưu tăng đột ngột; sau khi chuyển sang lớp biên turbulent, khi lớp đáy nhớt dần dày lên, hệ số truyền nhiệt đối lưu giảm dần. Đối với mặt hút, sự tách dòng có thể xảy ra ở phần sau sẽ khiến hệ số truyền nhiệt đối lưu tăng nhẹ.

Làm mát bằng sốc

Làm mát bằng va chạm là sử dụng một hoặc nhiều luồng khí lạnh để tác động vào bề mặt nóng, tạo ra sự truyền nhiệt đối lưu mạnh trong khu vực va chạm. Đặc trưng của làm mát bằng va chạm là có hệ số chuyển nhiệt cao trên bề mặt tường ở vùng ngưng trệ nơi dòng khí lạnh tác động, vì vậy phương pháp làm mát này có thể được sử dụng để làm mát tập trung cho bề mặt.

Làm mát bằng va chạm cho bề mặt trong của mép dẫn lưu của cánh tuabin là làm mát bằng va chạm trong không gian giới hạn, và luồng phun (dòng khí lạnh) không thể trộn lẫn tự do với không khí xung quanh. Dưới đây giới thiệu về làm mát bằng va chạm cho mục tiêu phẳng lỗ đơn, đây là cơ sở để nghiên cứu tác động của dòng chảy va chạm và truyền nhiệt.

Dòng chảy của một lỗ đơn theo chiều dọc tác động lên mặt phẳng mục tiêu được hiển thị trong hình trên. Mục tiêu mặt phẳng đủ lớn và không có sự xoay tròn, cũng không có dòng chất lỏng cắt ngang nào khác trên bề mặt. Khi khoảng cách giữa vòi phun và bề mặt mục tiêu không quá gần, một phần của dòng phun ra có thể được coi là dòng tự do, tức là phần lõi ( ⅰ ) và phần cơ sở ( ⅱ ) trong hình. Khi dòng phun đến gần bề mặt mục tiêu, đường biên giới ngoài của dòng phun bắt đầu chuyển từ đường thẳng thành đường cong, và dòng phun đi vào vùng chuyển hướng ( ⅲ ), còn được gọi là vùng ứ đọng. Trong vùng ứ đọng, dòng phun hoàn thành quá trình chuyển đổi từ dòng chảy vuông góc với bề mặt mục tiêu sang dòng chảy song song với bề mặt mục tiêu. Sau khi dòng phun hoàn thành việc chuyển hướng 90 ° khi chuyển động, nó đi vào vùng phun tường (IV) của phần tiếp theo. Trong vùng phun tường, chất lỏng chảy song song với bề mặt mục tiêu và ranh giới ngoài của nó vẫn là một đường thẳng. Gần tường là một lớp biên rất mỏng ở chế độ laminar. Dòng phun mang theo một lượng lớn không khí lạnh và tốc độ đến rất cao. Sự乱truban trong vùng đình trệ cũng rất lớn, do đó hệ số chuyển nhiệt của làm mát va chạm rất cao.

Làm mát đối lưu

（1）Kênh làm mát trực tiếp hướng tâm bên trong lưỡi cánh

Không khí làm mát chảy trực tiếp qua khoang nội bộ của lái van theo hướng bán kính, hấp thụ nhiệt thông qua truyền nhiệt đối lưu để giảm nhiệt độ của thân lưỡi cánh. Tuy nhiên, dưới điều kiện một lượng không khí làm mát nhất định, hệ số truyền nhiệt đối lưu của phương pháp này thấp và hiệu quả làm mát bị hạn chế.

(2) Nhiều kênh làm mát bên trong lưỡi cánh (thiết kế đa khoang)

Thiết kế đa khoang không chỉ tăng hệ số chuyển nhiệt đối lưu giữa không khí lạnh và bề mặt trong của lưỡi tua-bin mà còn tăng tổng diện tích trao đổi nhiệt, tăng dòng chảy nội bộ và thời gian trao đổi nhiệt, đồng thời có tỷ lệ sử dụng không khí lạnh cao. Hiệu quả làm mát có thể được cải thiện bằng cách phân phối hợp lý dòng chảy của không khí lạnh. Tất nhiên, thiết kế đa khoang cũng có nhược điểm. Do khoảng cách tuần hoàn không khí làm mát dài, diện tích tuần hoàn nhỏ và nhiều khúc quanh của dòng khí, lực cản dòng chảy sẽ tăng lên. Cấu trúc phức tạp này cũng làm tăng độ khó trong chế tạo và khiến chi phí cao hơn.

（3）Cấu trúc sườn tăng cường chuyển nhiệt đối lưu và làm mát cột chắn

Mỗi sườn trong cấu trúc sườn hoạt động như một yếu tố gây nhiễu dòng chảy, khiến chất lỏng tách ra khỏi lớp biên và hình thành các xoáy với cường độ và kích thước khác nhau. Những xoáy này thay đổi cấu trúc dòng chảy của chất lỏng, và quá trình truyền nhiệt được tăng cường đáng kể thông qua việc gia tăng sự hỗn loạn của chất lỏng trong khu vực gần tường và sự trao đổi chu kỳ khối lượng giữa các xoáy lớn và dòng chính.

Làm mát cột spoiler là có nhiều hàng sườn trụ được sắp xếp theo một cách nhất định bên trong kênh làm mát nội bộ. Những sườn trụ này không chỉ tăng diện tích trao đổi nhiệt mà còn tăng sự trộn lẫn lẫn nhau của không khí lạnh ở các khu vực khác nhau do sự nhiễu乱 của dòng chảy, điều này có thể tăng đáng kể hiệu quả truyền nhiệt.

Làm mát màng

Làm mát bằng màng khí là thổi không khí lạnh ra từ các lỗ hoặc khe hở trên bề mặt nóng và tạo thành một lớp màng khí lạnh trên bề mặt nóng để ngăn chặn sự làm nóng của tường rắn bởi khí nóng. Do lớp màng khí lạnh ngăn chặn tiếp xúc giữa dòng khí chính và bề mặt làm việc, nó đạt được mục đích cách nhiệt và chống ăn mòn, vì vậy một số tài liệu cũng gọi phương pháp làm mát này là làm mát hàng rào.

Các vòi phun của làm mát màng khí thường là các lỗ tròn hoặc dãy lỗ tròn, và đôi khi chúng được làm thành khe hai chiều. Trong các cấu trúc làm mát thực tế, thường có một góc nhất định giữa vòi phun và bề mặt đang được làm mát.

Một số lượng lớn các nghiên cứu về lỗ hình trụ vào những năm 1990 cho thấy rằng tỷ lệ thổi (tỷ lệ giữa dòng chảy đặc của tia phun với dòng chính) sẽ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả làm mát màng adiabatic của một hàng duy nhất các lỗ hình trụ. Sau khi luồng khí lạnh phun vào khu vực khí nóng dòng chính, nó sẽ tạo thành một cặp xoáy chuyển động xuôi và ngược, còn được gọi là cặp xoáy hình thận. Khi luồng khí thổi có tốc độ tương đối cao, ngoài các xoáy chuyển động xuôi, dòng thoát cũng sẽ tạo ra các xoáy chuyển động ngược. Xoáy ngược này sẽ bẫy khí nóng trong dòng chính và mang nó đến mép sau của khe cánh, từ đó làm giảm hiệu quả làm mát màng.