Aksiaalivirtausturbiinin rakenne
Turbiini on pyörivä voimakone, joka muuntaa käyttönesteen entalpian mekaaniseksi energiaksi. Se on yksi lentokoneiden moottoreiden, kaasuturbiinien ja höyryturbiinien pääkomponenteista. Energian muunnos turbiinien ja kompressorien ja ilmavirran välillä on päinvastainen. Kompressori kuluttaa mekaanista energiaa käydessään, ja ilmavirta saa mekaanista energiaa, kun se virtaa kompressorin läpi, ja paine ja entalpia kasvavat. Kun turbiini on käynnissä, akselityö lähtee turbiinin akselilta. Osa akselityöstä käytetään laakereiden kitkan voittamiseksi ja lisävarusteiden käyttämiseen, ja loput imeytyvät kompressoriin.
Tässä käsitellään vain aksiaalivirtausturbiineja. Kaasuturbiinimoottorin turbiini koostuu yleensä useista vaiheista, mutta staattori (suutinrengas tai ohjain) sijaitsee pyörivän juoksupyörän edessä. Turbiinielementtivaiheen siipikanava on konvergentti, ja palokammiosta tuleva korkean lämpötilan ja korkeapaineinen kaasu laajenee ja kiihtyy siinä samalla kun turbiini tuottaa mekaanista työtä.
Turbiinin siiven ulkopinnan lämmönsiirtoominaisuudet
Kaasun ja siiven pinnan välinen konvektiivinen lämmönsiirtokerroin lasketaan Newtonin jäähdytyskaavalla.
Painepinnalle ja imupinnalle konvektiivinen lämmönsiirtokerroin on korkein terän etureunassa. Kun laminaarinen rajakerros paksunee vähitellen, konvektiivinen lämmönsiirtokerroin pienenee vähitellen; siirtymäkohdassa konvektiivinen lämmönsiirtokerroin kasvaa yhtäkkiä; turbulenttiseen rajakerrokseen siirtymisen jälkeen, kun viskoosi pohjakerros vähitellen paksunee, konvektiivinen lämmönsiirtokerroin pienenee vähitellen. Imupinnan osalta takaosassa mahdollisesti esiintyvä virtauksen erottuminen saa aikaan konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen hieman nousun.
Iskujäähdytys
Törmäysjäähdytyksessä käytetään yhtä tai useampaa kylmää ilmasuihkua iskemään kuumaan pintaan, jolloin muodostuu voimakas konvektiolämmönsiirto törmäysalueella. Impingement-jäähdytyksen ominaisuus on, että seisonta-alueen seinäpinnalla, johon kylmä ilmavirta vaikuttaa, on korkea lämmönsiirtokerroin, joten tällä jäähdytysmenetelmällä voidaan kohdistettua jäähdytystä pintaan.
Turbiinin siiven etureunan sisäpinnan törmäysjäähdytys on rajoitetun tilan törmäysjäähdytys, eikä suihku (kylmä ilmavirta) voi sekoittua vapaasti ympäröivään ilmaan. Seuraavassa esitellään yksireikäisen tasokohteen törmäysjäähdytys, joka on pohjana törmäysvirtauksen ja lämmönsiirron vaikutuksen tutkimiselle.
Yksireikäisen pystysuuntaisen iskutason kohteen virtaus on esitetty yllä olevassa kuvassa. Tasokohde on riittävän suuri ja siinä ei ole pyörimistä, eikä pinnalla ole muuta poikkivirtausnestettä. Kun suuttimen ja kohdepinnan välinen etäisyys ei ole kovin pieni, voidaan suihkun ulostulon osaa pitää vapaana suihkuna, nimittäin kuvassa sydänosa (Ⅰ) ja pohjaosa (Ⅱ). Kun suihku lähestyy kohdepintaa, suihkun ulkorajaviiva alkaa muuttua suorasta kaareksi ja suihku tulee kääntymisalueelle (Ⅲ), jota kutsutaan myös pysähtymisvyöhykkeeksi. Pysähdysvyöhykkeellä suihku suorittaa siirtymisen kohtisuorasta kohdepintaan nähden virtaukseksi kohdepinnan suuntaiseksi. Kun suihku on kääntynyt 90 astetta, se tulee seuraavan osan seinäsuihkuvyöhykkeelle (IV). Seinäsuihkuvyöhykkeellä neste virtaa samansuuntaisesti kohdepinnan kanssa ja sen ulkoraja pysyy suorana. Seinän lähellä on erittäin ohut laminaarinen rajakerros. Suihku kuljettaa suuren määrän kylmää ilmaa, ja saapumisnopeus on erittäin korkea. Myös pysähtymisvyöhykkeen turbulenssi on erittäin suuri, joten iskujäähdytyksen lämmönsiirtokerroin on erittäin korkea.
Konvektiojäähdytys
Säteittäinen suora jäähdytyskanava terän sisällä
Jäähdytysilma virtaa suoraan ohjaussiiven sisäontelon läpi säteittäisessä suunnassa ja absorboi lämpöä konvektiolämmönsiirron kautta terän rungon lämpötilan alentamiseksi. Tietyn jäähdytysilmatilavuuden vallitessa tämän menetelmän konvektiolämmönsiirtokerroin on kuitenkin alhainen ja jäähdytysvaikutus rajoitettu.
(2) Useita jäähdytyskanavia terän sisällä (moniontelorakenne)
Monionteloinen rakenne ei vain lisää konvektiivista lämmönsiirtokerrointa kylmän ilman ja turbiinin siiven sisäpinnan välillä, vaan lisää myös kokonaislämmönvaihtoalaa, lisää sisäistä virtausta ja lämmönvaihtoaikaa ja sillä on korkea kylmä ilma. käyttöaste. Jäähdytystehoa voidaan parantaa jakamalla kylmän ilman virtaus järkevästi. Tietysti monionteloisessa suunnittelussa on myös haittoja. Pitkän jäähdytysilman kiertoetäisyyden, pienen kiertoalueen ja ilmavirran useiden kierrosten ansiosta virtausvastus kasvaa. Tämä monimutkainen rakenne lisää myös prosessin käsittelyn vaikeutta ja nostaa kustannuksia.
(3) Rib-rakenne parantaa konvektiivista lämmönsiirtoa ja spoilerikolonnin jäähdytystä
Jokainen riparakenteen ripa toimii virtausta häiritsevänä elementtinä, jolloin neste irtoaa rajakerroksesta ja muodostaa eri vahvuisia ja kokoisia pyörteitä. Nämä pyörteet muuttavat nesteen virtausrakennetta, ja lämmönsiirtoprosessi tehostuu merkittävästi nestepyörteen lisääntymisen ansiosta seinän läheisyydessä ja jaksoittaisen massanvaihdon ansiosta suurten pyörteiden ja päävirran välillä.
Spoilerikolonnin jäähdytyksessä on oltava useita rivejä sylinterimäisiä ripoja, jotka on järjestetty tietyllä tavalla sisemmän jäähdytyskanavan sisään. Nämä sylinterimäiset rivat eivät vain lisää lämmönvaihtoaluetta, vaan lisäävät myös kylmän ilman keskinäistä sekoittumista eri alueilla virtaushäiriön vuoksi, mikä voi lisätä merkittävästi lämmönsiirtovaikutusta.
Filmin jäähdytys
Ilmakalvojäähdytyksen tarkoituksena on puhaltaa ulos kylmää ilmaa kuuman pinnan rei'istä tai rakoista ja muodostaa kuumalle pinnalle kylmäilmakalvokerros, joka estää kiinteän seinän kuumenemisen kuumalla kaasulla. Koska kylmäilmakalvo estää pääilmavirran ja työpinnan välisen kosketuksen, se saavuttaa lämmöneristyksen ja korroosionestotarkoituksen, joten osassa kirjallisuutta kutsutaan tätä jäähdytysmenetelmää myös estejäähdytykseksi.
Kalvojäähdytyksen suuttimet ovat yleensä pyöreitä reikiä tai pyöreiden reikien rivejä, ja joskus niistä tehdään kaksiulotteisia rakoja. Varsinaisissa jäähdytysrakenteissa suuttimen ja jäähdytettävän pinnan välillä on yleensä tietty kulma.
Suuri määrä lieriömäisiä reikiä koskevia tutkimuksia 1990-luvulla osoitti, että puhallussuhde (suihkun tiheän virtauksen suhde valtavirtaan) vaikuttaa merkittävästi yksittäisen sylinterimäisten reikien rivin adiabaattiseen kalvon jäähdytysvaikutukseen. Kun kylmä ilmasuihku tulee valtavirran korkean lämpötilan kaasualueelle, se muodostaa parin eteenpäin ja taaksepäin pyöriviä pyörrepareja, jotka tunnetaan myös munuaisen muotoisena pyörreparina. Kun puhallusilma on suhteellisen korkealla, ulosvirtaus muodostaa eteenpäin suuntautuvien pyörteiden lisäksi myös vastakkain pyöriviä pyörteitä. Tämä käänteinen pyörre vangitsee korkean lämpötilan kaasun valtavirtaan ja tuo sen teräkanavan takareunaan, mikä vähentää kalvon jäähdytysvaikutusta.
