Konstrukcja turbiny o przepływie osiowym
Turbina to obrotowa maszyna napędowa, która przekształca entalpię płynu roboczego w energię mechaniczną. Jest jednym z głównych elementów silników lotniczych, turbin gazowych i turbin parowych. Procedura konwersji energii pomiędzy turbinami i sprężarkami oraz przepływem powietrza jest odwrotna. Sprężarka zużywa energię mechaniczną podczas pracy, a przepływ powietrza zyskuje energię mechaniczną, gdy przepływa przez sprężarkę, co powoduje wzrost ciśnienia i entalpii. Kiedy turbina pracuje, praca na wale jest przekazywana z wału turbiny. Część pracy wału wykorzystywana jest do pokonania tarcia na łożyskach i napędzania osprzętu, a pozostała część jest pochłaniana przez sprężarkę.
Omówiono tutaj jedynie turbiny o przepływie osiowym. Turbina w silniku turbinowym składa się zwykle z wielu stopni, ale stojan (pierścień dyszy lub prowadnica) znajduje się przed obracającym się wirnikiem. Kanał łopatkowy stopnia elementu turbiny jest zbieżny, a gaz o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu z komory spalania rozpręża się i przyspiesza w nim, podczas gdy turbina wykonuje pracę mechaniczną.
Charakterystyki wymiany ciepła przez zewnętrzną powierzchnię łopatek turbiny
Współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła pomiędzy gazem a powierzchnią łopatki oblicza się za pomocą wzoru chłodzenia Newtona.
Dla powierzchni dociskowej i powierzchni ssącej współczynnik przenikania ciepła konwekcyjnego jest najwyższy na krawędzi natarcia łopatki. W miarę stopniowego pogrubiania laminarnej warstwy granicznej współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła stopniowo maleje; w punkcie przejścia współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła nagle wzrasta; po przejściu do turbulentnej warstwy granicznej, w miarę stopniowego gęstnienia lepkiej warstwy dennej, współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła stopniowo maleje. W przypadku powierzchni ssącej separacja przepływu, która może wystąpić w tylnej części, spowoduje nieznaczny wzrost współczynnika konwekcyjnego przenikania ciepła.
Chłodzenie szokowe
Chłodzenie uderzeniowe polega na wykorzystaniu jednego lub więcej strumieni zimnego powietrza do uderzenia w gorącą powierzchnię, tworząc silny konwekcyjny transfer ciepła w obszarze uderzenia. Cechą charakterystyczną chłodzenia uderzeniowego jest wysoki współczynnik przenikania ciepła na powierzchnię ściany obszaru stagnacji, w którą uderza strumień zimnego powietrza, dlatego tę metodę chłodzenia można zastosować do zastosowania skupionego chłodzenia powierzchni.
Chłodzenie uderzeniowe wewnętrznej powierzchni krawędzi natarcia łopatki turbiny jest chłodzeniem uderzeniowym w ograniczonej przestrzeni, a strumień (przepływ zimnego powietrza) nie może swobodnie mieszać się z otaczającym powietrzem. Poniżej przedstawiono chłodzenie uderzeniowe tarczy płaskiej z jednym otworem, co stanowi podstawę do badania wpływu przepływu uderzeniowego i wymiany ciepła.
Przepływ celu w pionowej płaszczyźnie uderzenia z jednym otworem pokazano na powyższym rysunku. Cel płaski jest wystarczająco duży i nie obraca się, a na powierzchni nie ma żadnego innego płynu o przepływie krzyżowym. Gdy odległość między dyszą a powierzchnią docelową nie jest zbyt mała, część wylotu strumienia można uznać za strumień swobodny, a mianowicie sekcję rdzenia (Ⅰ) i sekcję podstawy (Ⅱ) na rysunku. Kiedy strumień zbliża się do powierzchni docelowej, zewnętrzna linia graniczna strumienia zaczyna zmieniać się z linii prostej w krzywą, a strumień wchodzi w strefę skrętu (Ⅲ), zwaną także strefą stagnacji. W strefie stagnacji strumień kończy przejście od przepływu prostopadłego do powierzchni docelowej do przepływu równoległego do powierzchni docelowej. Gdy strumień wykona obrót o 90 stopni, wchodzi do strefy strumienia ściennego (IV) następnej sekcji. W strefie strumienia przyściennego ciecz przepływa równolegle do powierzchni docelowej, a jej zewnętrzna granica pozostaje linią prostą. W pobliżu ściany znajduje się niezwykle cienka laminarna warstwa graniczna. Strumień przenosi dużą ilość zimnego powietrza, a prędkość przylotu jest bardzo duża. Turbulencja w strefie stagnacji jest również bardzo duża, dlatego współczynnik przenikania ciepła przy chłodzeniu udarowym jest bardzo wysoki.
Chłodzenie konwekcyjne
Promieniowy kanał bezpośredniego chłodzenia wewnątrz ostrza
Powietrze chłodzące przepływa bezpośrednio przez wewnętrzną wnękę łopatki kierującej w kierunku promieniowym, pochłaniając ciepło poprzez konwekcyjne przenoszenie ciepła w celu obniżenia temperatury korpusu łopatki. Jednak pod warunkiem określonej objętości powietrza chłodzącego, współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła w tej metodzie jest niski, a efekt chłodzenia jest ograniczony.
(2) Wiele kanałów chłodzących wewnątrz ostrza (konstrukcja z wieloma wnękami)
Konstrukcja wielownękowa nie tylko zwiększa współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła pomiędzy zimnym powietrzem a wewnętrzną powierzchnią łopatki turbiny, ale także zwiększa całkowitą powierzchnię wymiany ciepła, zwiększa przepływ wewnętrzny i czas wymiany ciepła oraz charakteryzuje się wysokim współczynnikiem zimnego powietrza wskaźnik wykorzystania. Efekt chłodzenia można poprawić, rozsądnie rozprowadzając strumień zimnego powietrza. Oczywiście konstrukcja z wieloma wnękami ma również wady. Ze względu na dużą odległość cyrkulacji powietrza chłodzącego, małą powierzchnię cyrkulacji i wielokrotne zwoje przepływu powietrza, opór przepływu wzrośnie. Ta złożona struktura zwiększa również trudność przetwarzania procesu i zwiększa koszt.
(3) Struktura żeber poprawia konwekcyjne przenoszenie ciepła i chłodzenie kolumny spojlera
Każde żebro w strukturze żeber działa jak element zakłócający przepływ, powodując oddzielenie płynu od warstwy granicznej i utworzenie wirów o różnej sile i wielkości. Wiry te zmieniają strukturę przepływu płynu, a proces wymiany ciepła jest znacznie usprawniony poprzez wzrost turbulencji płynu w obszarze przyściennym oraz okresową wymianę masy pomiędzy dużymi wirami a głównym nurtem.
Chłodzenie kolumny spoilera ma mieć wiele rzędów cylindrycznych żeber rozmieszczonych w określony sposób wewnątrz wewnętrznego kanału chłodzącego. Te cylindryczne żebra nie tylko zwiększają powierzchnię wymiany ciepła, ale także zwiększają wzajemne mieszanie się zimnego powietrza w różnych obszarach na skutek zakłócenia przepływu, co może znacznie zwiększyć efekt wymiany ciepła.
Chłodzenie folii
Chłodzenie filmem powietrznym polega na wydmuchaniu zimnego powietrza z otworów lub szczelin na gorącej powierzchni i utworzeniu warstwy filmu zimnego powietrza na gorącej powierzchni, aby zablokować nagrzewanie się stałej ściany przez gorący gaz. Ponieważ warstwa zimnego powietrza blokuje kontakt głównego strumienia powietrza z powierzchnią roboczą, spełnia ona cel izolacji cieplnej i zapobiegania korozji, dlatego w niektórych publikacjach tę metodę chłodzenia nazywa się również chłodzeniem barierowym.
Dysze chłodzenia folii mają zazwyczaj postać okrągłych otworów lub rzędów okrągłych otworów, a czasami są wykonane w postaci dwuwymiarowych szczelin. W rzeczywistych konstrukcjach chłodzących pomiędzy dyszą a chłodzoną powierzchnią zwykle występuje pewien kąt.
Duża liczba badań otworów cylindrycznych przeprowadzonych w latach 90. XX wieku wykazała, że współczynnik nadmuchu (stosunek gęstego przepływu strumienia do strumienia głównego) znacząco wpłynie na efekt chłodzenia adiabatycznego filmu pojedynczego rzędu cylindrycznych otworów. Gdy strumień zimnego powietrza dostanie się do głównego nurtu obszaru gazu o wysokiej temperaturze, utworzy parę wirujących par wirowych do przodu i do tyłu, zwanych również parą wirów w kształcie nerki. Gdy nawiewane powietrze jest stosunkowo duże, oprócz wirów skierowanych do przodu, na wypływie utworzą się również wiry przeciwbieżne. Ten odwrócony wir uwięzi gaz o wysokiej temperaturze w głównym strumieniu i przeniesie go do tylnej krawędzi przejścia łopatki, zmniejszając w ten sposób efekt chłodzenia warstwy.
