Struktura turbine sa aksijalnim protokom
Turbina je rotaciona mašina koja pretvara entalpiju radnog fluida u mehaničku energiju. Jedna je od glavnih komponenti avionskih motora, gasnih turbina i parnih turbina. Konverzija energije između turbina i kompresora i protoka zraka je suprotna u postupku. Kompresor troši mehaničku energiju dok radi, a protok zraka dobiva mehaničku energiju kada teče kroz kompresor, a pritisak i entalpija se povećavaju. Kada turbina radi, rad vratila izlazi iz osovine turbine. Dio rada osovine koristi se za savladavanje trenja na ležajevima i pogon pribora, a ostatak apsorbira kompresor.
Ovdje se razmatraju samo turbine sa aksijalnim protokom. Turbina u plinskoturbinskom motoru obično se sastoji od više stupnjeva, ali se stator (prsten mlaznice ili vodilica) nalazi ispred rotirajućeg radnog kola. Kanal lopatica stepena turbinskog elementa je konvergentan, a visokotemperaturni i visokotlačni gas iz komore za sagorevanje se u njemu širi i ubrzava, dok turbina vrši mehanički rad.
Karakteristike prijenosa topline vanjske površine lopatice turbine
Koeficijent konvektivnog prijenosa topline između plina i površine lopatice izračunava se korištenjem Newtonove formule za hlađenje.
Za tlačnu površinu i usisnu površinu, koeficijent konvektivnog prijenosa topline je najveći na prednjoj ivici lopatice. Kako se laminarni granični sloj postepeno zgušnjava, koeficijent konvektivnog prijenosa topline postupno opada; u tački prijelaza, koeficijent konvektivnog prijenosa topline naglo raste; nakon prijelaza u turbulentni granični sloj, kako se viskozni donji sloj postepeno zgušnjava, koeficijent konvektivnog prijenosa topline postepeno opada. Za usisnu površinu, razdvajanje protoka koje može nastati u stražnjem dijelu će uzrokovati blago povećanje koeficijenta konvektivnog prijenosa topline.
Shock Cooling
Udarno hlađenje je korištenje jednog ili više mlaznica hladnog zraka za udar na vruću površinu, formirajući snažan konvekcijski prijenos topline u području udara. Karakteristika udarnog hlađenja je da postoji visok koeficijent prenosa toplote na površini zida stagnacionog područja gde strujanje hladnog vazduha utiče, pa se ova metoda hlađenja može koristiti za primenu fokusiranog hlađenja na površinu.
Udarno hlađenje unutrašnje površine prednje ivice lopatice turbine je hlađenje ograničenog prostora, a mlaz (protok hladnog vazduha) ne može se slobodno mešati sa okolnim vazduhom. U nastavku je predstavljeno udarno hlađenje ravne mete s jednom rupom, što je osnova za proučavanje utjecaja udarnog toka i prijenosa topline.
Protok mete u vertikalnoj udarnoj ravni s jednom rupom prikazan je na gornjoj slici. Ravan cilj je dovoljno velik i nema rotaciju, a na površini nema druge tekućine s poprečnim protokom. Kada rastojanje između mlaznice i ciljne površine nije jako blizu, deo izlaznog otvora mlaza može se smatrati slobodnim mlazom, odnosno presek jezgra (Ⅰ) i osnovni deo (Ⅱ) na slici. Kada se mlaz približi ciljnoj površini, vanjska granična linija mlaza počinje da se mijenja iz ravne u krivulju, a mlaz ulazi u zonu okretanja (Ⅲ), koja se naziva i zona stagnacije. U zoni stagnacije, mlaz završava prijelaz iz strujanja okomitog na ciljnu površinu u tok paralelan sa ciljnom površinom. Nakon što mlaz završi zaokret od 90 stepeni, ulazi u zonu mlaza zida (IV) sljedeće sekcije. U zoni zidnog mlaza tečnost teče paralelno sa ciljnom površinom, a njena spoljna granica ostaje prava linija. Blizu zida je izuzetno tanak laminarni granični sloj. Mlaz nosi veliku količinu hladnog vazduha, a brzina dolaska je veoma velika. Turbulencija u zoni stagnacije je takođe veoma velika, pa je koeficijent prenosa toplote udarnog hlađenja veoma visok.
Konvekcijsko hlađenje
Radijalni direktni kanal za hlađenje unutar oštrice
Zrak za hlađenje struji direktno kroz unutrašnju šupljinu vodeće lopatice u radijalnom smjeru, apsorbirajući toplinu kroz konvekcijski prijenos topline kako bi se smanjila temperatura tijela lopatice. Međutim, pod uvjetom određene količine rashladnog zraka, konvekcijski koeficijent prijenosa topline ove metode je nizak i učinak hlađenja je ograničen.
(2) Više kanala za hlađenje unutar oštrice (dizajn s više šupljina)
Dizajn sa više šupljina ne samo da povećava koeficijent konvektivnog prenosa toplote između hladnog vazduha i unutrašnje površine lopatice turbine, već takođe povećava ukupnu površinu razmene toplote, povećava unutrašnji protok i vreme razmene toplote i ima visoku količinu hladnog vazduha. stepen iskorišćenja. Efekat hlađenja može se poboljšati razumnom distribucijom hladnog vazduha. Naravno, dizajn sa više šupljina ima i nedostatke. Zbog velike udaljenosti cirkulacije rashladnog zraka, malog područja cirkulacije i višestrukih okreta protoka zraka, otpor strujanja će se povećati. Ova složena struktura takođe povećava poteškoće u procesu obrade i povećava troškove.
(3)Rebrasta struktura poboljšava konvektivni prijenos topline i hlađenje stupa spojlera
Svako rebro u strukturi rebara djeluje kao element ometanja protoka, uzrokujući da se tekućina odvoji od graničnog sloja i formira vrtloge različite jačine i veličine. Ovi vrtlozi mijenjaju strukturu protoka fluida, a proces prijenosa topline je značajno poboljšan povećanjem turbulencije fluida u području blizu zida i periodičnom razmjenom mase između velikih vrtloga i glavnog toka.
Hlađenje stuba spojlera je da ima više redova cilindričnih rebara raspoređenih na određeni način unutar unutrašnjeg kanala za hlađenje. Ova cilindrična rebra ne samo da povećavaju površinu razmjene topline, već i povećavaju međusobno miješanje hladnog zraka u različitim područjima zbog poremećaja strujanja, što može značajno povećati učinak prijenosa topline.
Film Cooling
Hlađenje zračnim filmom je izduvavanje hladnog zraka iz otvora ili praznina na vrućoj površini i formiranje sloja filma hladnog zraka na vrućoj površini kako bi se blokiralo zagrijavanje čvrstog zida toplim plinom. S obzirom da film hladnog zraka blokira kontakt glavnog strujanja zraka i radne površine, ostvaruje svrhu toplinske izolacije i sprječavanja korozije, pa se u nekim literaturama ovaj način hlađenja naziva i barijerno hlađenje.
Mlaznice filmskog hlađenja su obično okrugle rupe ili redovi okruglih rupa, a ponekad se prave u dvodimenzionalne proreze. U stvarnim rashladnim strukturama, obično postoji određeni ugao između mlaznice i površine koja se hladi.
Veliki broj studija o cilindričnim rupama 1990-ih je pokazao da će omjer puhanja (omjer gustog toka mlaza i glavnog toka) značajno utjecati na učinak hlađenja adijabatskog filma jednog reda cilindričnih rupa. Nakon što mlaz hladnog zraka uđe u područje visokog toka plina, formirat će par vrtložnih parova koji se vrte naprijed i nazad, također poznati kao vrtložni par u obliku bubrega. Kada je duvački vazduh relativno visok, osim vrtloga prema naprijed, odliv će formirati i vrtloge koji se okreću suprotno. Ovaj reverzni vrtlog će zarobiti visokotemperaturni gas u glavnom toku i dovesti ga do zadnje ivice prolaza oštrice, čime se smanjuje efekat hlađenja filma.
