Axialströmungsturbinenstruktur
Eine Turbine ist eine rotierende Kraftmaschine, die die Enthalpie eines Arbeitsmediums in mechanische Energie umwandelt. Es ist eine der Hauptkomponenten von Flugzeugtriebwerken, Gasturbinen und Dampfturbinen. Die Energieumwandlung zwischen Turbinen und Kompressoren sowie der Luftströmung verläuft entgegengesetzt. Der Kompressor verbraucht mechanische Energie, wenn er läuft, und der Luftstrom gewinnt mechanische Energie, wenn er durch den Kompressor strömt, und Druck und Enthalpie steigen. Bei laufender Turbine wird Wellenarbeit von der Turbinenwelle abgegeben. Ein Teil der Wellenarbeit wird zur Überwindung der Reibung an den Lagern und zum Antrieb der Zubehörteile verwendet, der Rest wird vom Kompressor aufgenommen.
Hier werden nur Axialturbinen besprochen. Die Turbine in einem Gasturbinentriebwerk besteht normalerweise aus mehreren Stufen, der Stator (Düsenring oder Führung) befindet sich jedoch vor dem rotierenden Laufrad. Der Schaufelkanal der Turbinenelementstufe ist konvergent und das Gas aus der Brennkammer mit hoher Temperatur und hohem Druck expandiert und beschleunigt sich darin, während die Turbine mechanische Arbeit leistet.
Wärmeübertragungseigenschaften der Außenfläche einer Turbinenschaufel
Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Gas und der Schaufeloberfläche wird mithilfe der Newtonschen Kühlformel berechnet.
Für die Druckfläche und die Saugfläche ist der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient an der Vorderkante der Schaufel am höchsten. Wenn die laminare Grenzschicht allmählich dicker wird, nimmt der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient allmählich ab; am Übergangspunkt steigt der konvektive Wärmeübergangskoeffizient plötzlich an; Nach dem Übergang zur turbulenten Grenzschicht nimmt der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient allmählich ab, wenn die viskose Bodenschicht allmählich dicker wird. Bei der Saugfläche führt die im hinteren Bereich auftretende Strömungsablösung zu einem leichten Anstieg des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten.
Schockkühlung
Bei der Aufprallkühlung werden ein oder mehrere Kaltluftstrahlen verwendet, die auf die heiße Oberfläche auftreffen und im Aufprallbereich eine starke Konvektionswärmeübertragung bewirken. Das Charakteristikum der Aufprallkühlung besteht darin, dass an der Wandfläche des Staubereichs, auf die der Kaltluftstrom auftrifft, ein hoher Wärmeübergangskoeffizient vorhanden ist, sodass mit dieser Kühlmethode eine gezielte Kühlung der Oberfläche erzielt werden kann.
Bei der Aufprallkühlung der Innenfläche der Vorderkante der Turbinenschaufel handelt es sich um eine Aufprallkühlung auf begrenztem Raum, und der Strahl (Kaltluftstrom) kann sich nicht frei mit der Umgebungsluft vermischen. Im Folgenden wird die Aufprallkühlung eines Einloch-Planziels vorgestellt, die die Grundlage für die Untersuchung der Auswirkungen der Aufprallströmung und der Wärmeübertragung bildet.
Der Fluss eines Einlochziels mit vertikaler Aufprallebene ist in der Abbildung oben dargestellt. Das ebene Ziel ist groß genug und hat keine Rotation, und es gibt keine andere Querströmungsflüssigkeit auf der Oberfläche. Wenn der Abstand zwischen der Düse und der Zieloberfläche nicht sehr gering ist, kann ein Abschnitt des Strahlaustritts als Freistrahl betrachtet werden, nämlich der Kernabschnitt (Ⅰ) und der Basisabschnitt (Ⅱ) in der Abbildung. Wenn sich der Strahl der Zieloberfläche nähert, beginnt sich die äußere Grenzlinie des Strahls von einer geraden Linie in eine Kurve zu ändern, und der Strahl gelangt in die Wendezone (Ⅲ), auch Stauzone genannt. In der Stauzone vollzieht der Strahl den Übergang von einer Strömung senkrecht zur Zieloberfläche zu einer Strömung parallel zur Zieloberfläche. Nachdem der Strahl eine 90-Grad-Kurve vollzogen hat, gelangt er in die Wandstrahlzone (IV) des nächsten Abschnitts. In der Wandstrahlzone strömt die Flüssigkeit parallel zur Zieloberfläche und ihre äußere Begrenzung bleibt eine gerade Linie. In der Nähe der Wand befindet sich eine extrem dünne laminare Grenzschicht. Der Strahl transportiert eine große Menge kalter Luft und die Ankunftsgeschwindigkeit ist sehr hoch. Auch die Turbulenz in der Stauzone ist sehr groß, sodass der Wärmeübergangskoeffizient der Prallkühlung sehr hoch ist.
Konvektionskühlung
Radialer direkter Kühlkanal im Inneren der Klinge
Die Kühlluft strömt direkt durch den inneren Hohlraum der Leitschaufel in radialer Richtung und nimmt durch Konvektionswärmeübertragung Wärme auf, um die Temperatur des Schaufelkörpers zu senken. Unter der Bedingung eines bestimmten Kühlluftvolumens ist jedoch der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient dieser Methode niedrig und die Kühlwirkung begrenzt.
(2) Mehrere Kühlkanäle im Inneren der Schaufel (Multi-Cavity-Design)
Das Design mit mehreren Hohlräumen erhöht nicht nur den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten zwischen der kalten Luft und der Innenfläche der Turbinenschaufel, sondern vergrößert auch die gesamte Wärmeaustauschfläche, erhöht die interne Strömung und Wärmeaustauschzeit und sorgt für eine hohe Kaltluft Auslastungsgrad. Der Kühleffekt kann durch eine sinnvolle Verteilung des Kaltluftstroms verbessert werden. Natürlich hat das Multi-Cavity-Design auch Nachteile. Aufgrund der langen Zirkulationsstrecke der Kühlluft, der kleinen Zirkulationsfläche und der mehrfachen Windungen des Luftstroms erhöht sich der Strömungswiderstand. Diese komplexe Struktur erhöht auch die Schwierigkeit der Prozessabwicklung und erhöht die Kosten.
(3)Die Rippenstruktur verbessert die konvektive Wärmeübertragung und die Kühlung der Spoilersäule
Jede Rippe in der Rippenstruktur wirkt als Strömungsstörungselement, wodurch sich das Fluid von der Grenzschicht löst und Wirbel unterschiedlicher Stärke und Größe bildet. Diese Wirbel verändern die Strömungsstruktur des Fluids und der Wärmeübertragungsprozess wird durch die Zunahme der Fluidturbulenz im wandnahen Bereich und den periodischen Massenaustausch zwischen den großen Wirbeln und dem Hauptstrom erheblich verbessert.
Die Kühlung der Spoilersäule besteht aus mehreren Reihen zylindrischer Rippen, die auf eine bestimmte Weise im inneren Kühlkanal angeordnet sind. Diese zylindrischen Rippen vergrößern nicht nur die Wärmeaustauschfläche, sondern erhöhen durch die Störung der Strömung auch die gegenseitige Durchmischung kalter Luft in verschiedenen Bereichen, was den Wärmeübertragungseffekt deutlich steigern kann.
Filmkühlung
Bei der Luftfilmkühlung wird kalte Luft aus den Löchern oder Lücken auf der heißen Oberfläche geblasen und auf der heißen Oberfläche eine Schicht Kaltluftfilms gebildet, um die Erwärmung der festen Wand durch das heiße Gas zu blockieren. Da der Kaltluftfilm den Kontakt zwischen dem Hauptluftstrom und der Arbeitsfläche blockiert, erfüllt er den Zweck der Wärmeisolierung und des Korrosionsschutzes, weshalb diese Kühlmethode in manchen Fachliteratur auch als Barrierekühlung bezeichnet wird.
Die Düsen der Filmkühlung sind meist runde Löcher oder Reihen runder Löcher, manchmal sind sie auch in zweidimensionale Schlitze ausgeführt. Bei tatsächlichen Kühlstrukturen besteht normalerweise ein bestimmter Winkel zwischen der Düse und der zu kühlenden Oberfläche.
Eine große Anzahl von Studien zu zylindrischen Löchern in den 1990er Jahren zeigte, dass das Blasverhältnis (das Verhältnis der dichten Strömung des Strahls zum Hauptstrom) den adiabatischen Filmkühlungseffekt einer einzelnen Reihe zylindrischer Löcher erheblich beeinflusst. Nachdem der Kaltluftstrahl in den Hauptstrom-Hochtemperaturgasbereich gelangt ist, bildet er ein Paar vorwärts und rückwärts rotierender Wirbelpaare, auch bekannt als nierenförmiges Wirbelpaar. Wenn die Blasluft relativ hoch ist, bildet die Ausströmung neben vorwärts gerichteten Wirbeln auch gegenläufige Wirbel. Dieser umgekehrte Wirbel fängt das Hochtemperaturgas im Hauptstrom ein und bringt es zur Hinterkante des Schaufeldurchgangs, wodurch der Filmkühlungseffekt verringert wird.
