Конструкция турбины с осевым потоком
Турбина – это вращающаяся силовая машина, преобразующая энтальпию рабочего тела в механическую энергию. Это один из основных компонентов авиационных двигателей, газовых и паровых турбин. Преобразование энергии между турбинами и компрессорами и воздушным потоком происходит по противоположной процедуре. Компрессор потребляет механическую энергию во время работы, а воздушный поток приобретает механическую энергию, проходя через компрессор, при этом давление и энтальпия увеличиваются. Когда турбина работает, работа на валу передается на вал турбины. Часть работы вала используется для преодоления трения в подшипниках и привода вспомогательного оборудования, а остальная часть поглощается компрессором.
Здесь обсуждаются только турбины с осевым потоком. Турбина газотурбинного двигателя обычно состоит из нескольких ступеней, но статор (сопловое кольцо или направляющая) расположен перед вращающимся рабочим колесом. Лопаточный канал ступени турбинного элемента сужающийся, в нем газ высокой температуры и высокого давления из камеры сгорания расширяется и ускоряется, при этом турбина совершает механическую работу.
Характеристики теплопередачи наружной поверхности лопаток турбины
Коэффициент конвективной теплопередачи между газом и поверхностью лопатки рассчитывается по формуле охлаждения Ньютона.
Для поверхности давления и поверхности всасывания коэффициент конвективной теплопередачи является самым высоким на передней кромке лопасти. По мере постепенного утолщения ламинарного пограничного слоя коэффициент конвективной теплоотдачи постепенно снижается; в точке перехода коэффициент конвективной теплоотдачи внезапно возрастает; после перехода к турбулентному пограничному слою по мере постепенного утолщения вязкого придонного слоя коэффициент конвективной теплоотдачи постепенно снижается. На поверхности всасывания отрыв потока, который может возникнуть в задней части, приведет к незначительному увеличению коэффициента конвективной теплопередачи.
Шоковое охлаждение
Импульсное охлаждение заключается в использовании одной или нескольких струй холодного воздуха для воздействия на горячую поверхность, создавая сильную конвекционную передачу тепла в зоне воздействия. Особенностью ударного охлаждения является то, что на поверхности стенки застойной зоны, куда воздействует поток холодного воздуха, имеется высокий коэффициент теплопередачи, поэтому этот метод охлаждения можно использовать для направленного охлаждения поверхности.
Импульсное охлаждение внутренней поверхности передней кромки турбинной лопатки представляет собой ограниченное пространство импульсного охлаждения, и струя (поток холодного воздуха) не может свободно смешиваться с окружающим воздухом. Ниже описывается ударное охлаждение плоской мишени с одним отверстием, которое является основой для изучения влияния ударного потока и теплопередачи.
Поток мишени вертикального удара с одним отверстием показан на рисунке выше. Плоская мишень достаточно велика, не имеет вращения, а на поверхности нет другой поперечноточной жидкости. Когда расстояние между соплом и целевой поверхностью не очень близко, часть выходного отверстия струи можно рассматривать как свободную струю, а именно секцию ядра (Ⅰ) и нижнюю часть (Ⅱ) на рисунке. Когда струя приближается к поверхности цели, внешняя граница струи начинает меняться с прямой на кривую, и струя попадает в зону поворота (Ⅲ), также называемую зоной застоя. В застойной зоне струя завершает переход от течения, перпендикулярного поверхности мишени, к течению, параллельному поверхности мишени. После поворота струи на 90 градусов она попадает в пристеночную зону струи (IV) следующей секции. В зоне пристеночной струи жидкость течет параллельно поверхности мишени, а ее внешняя граница остается прямой. Около стенки находится чрезвычайно тонкий ламинарный пограничный слой. Струя несет большое количество холодного воздуха, а скорость его прибытия очень высока. Турбулентность в застойной зоне также очень велика, поэтому коэффициент теплоотдачи ударного охлаждения очень высок.
Конвекционное охлаждение
Радиальный канал прямого охлаждения внутри лопатки
Охлаждающий воздух проходит непосредственно через внутреннюю полость направляющего аппарата в радиальном направлении, поглощая тепло за счет конвекционной теплопередачи и снижая температуру тела лопатки. Однако при условии определенного объема охлаждающего воздуха коэффициент конвекционной теплопередачи этого метода низкий и эффект охлаждения ограничен.
(2) Несколько каналов охлаждения внутри лезвия (конструкция с несколькими полостями)
Многополостная конструкция не только увеличивает коэффициент конвективной теплопередачи между холодным воздухом и внутренней поверхностью лопатки турбины, но также увеличивает общую площадь теплообмена, увеличивает внутренний поток и время теплообмена, а также имеет высокую эффективность холодного воздуха. коэффициент использования. Охлаждающий эффект можно улучшить за счет разумного распределения потока холодного воздуха. Конечно, конструкция с несколькими полостями имеет и недостатки. Из-за большого расстояния циркуляции охлаждающего воздуха, небольшой площади циркуляции и многократного поворота воздушного потока сопротивление потоку увеличится. Эта сложная структура также увеличивает сложность технологического процесса и увеличивает стоимость.
(3)Реберная структура усиливает конвективную теплопередачу и охлаждение стойки спойлера.
Каждое ребро реберной структуры действует как элемент возмущения потока, вызывая отрыв жидкости от пограничного слоя и образование вихрей различной силы и размера. Эти вихри изменяют структуру течения жидкости, а процесс теплопередачи существенно усиливается за счет увеличения турбулентности жидкости в пристеночной области и периодического массообмена между крупными вихрями и основным потоком.
Охлаждение стойки спойлера состоит из нескольких рядов цилиндрических ребер, расположенных определенным образом внутри внутреннего канала охлаждения. Эти цилиндрические ребра не только увеличивают площадь теплообмена, но и усиливают взаимное перемешивание холодного воздуха в разных зонах за счет возмущения потока, что может значительно увеличить эффект теплопередачи.
Пленочное охлаждение
Пленочное воздушное охлаждение заключается в выдувании холодного воздуха из отверстий или зазоров на горячей поверхности и формировании слоя пленки холодного воздуха на горячей поверхности для блокировки нагрева твердой стенки горячим газом. Поскольку пленка холодного воздуха блокирует контакт основного воздушного потока с рабочей поверхностью, она достигает цели теплоизоляции и предотвращения коррозии, поэтому в некоторой литературе этот метод охлаждения также называют барьерным охлаждением.
Сопла пленочного охлаждения обычно представляют собой круглые отверстия или ряды круглых отверстий, а иногда они выполнены в виде двумерных щелей. В реальных охлаждающих конструкциях обычно существует определенный угол между соплом и охлаждаемой поверхностью.
Большое количество исследований цилиндрических отверстий в 1990-х годах показало, что степень продувки (отношение плотного потока струи к основному потоку) существенно влияет на эффект адиабатического пленочного охлаждения одного ряда цилиндрических отверстий. После того, как струя холодного воздуха попадает в зону основного потока высокотемпературного газа, она образует пару пар вихрей, вращающихся вперед и назад, также известную как пара вихрей почковидной формы. Когда выдувной воздух относительно высок, помимо прямых вихрей, выходящий поток также образует вихри противоположного вращения. Этот обратный вихрь захватывает высокотемпературный газ в основном потоке и переносит его к задней кромке канала лопатки, тем самым уменьшая эффект пленочного охлаждения.
