Estructura de turbina de flujo axial.
Una turbina es una máquina de energía rotativa que convierte la entalpía de un fluido de trabajo en energía mecánica. Es uno de los componentes principales de los motores de aviones, turbinas de gas y turbinas de vapor. La conversión de energía entre turbinas y compresores y el flujo de aire tiene un procedimiento opuesto. El compresor consume energía mecánica cuando está funcionando y el flujo de aire gana energía mecánica cuando fluye a través del compresor y la presión y la entalpía aumentan. Cuando la turbina está funcionando, el trabajo del eje sale del eje de la turbina. Parte del trabajo del eje se utiliza para superar la fricción sobre los rodamientos y accionar los accesorios, y el resto es absorbido por el compresor.
Aquí sólo se analizan las turbinas de flujo axial. La turbina de un motor de turbina de gas suele estar compuesta de varias etapas, pero el estator (anillo de boquilla o guía) está situado delante del impulsor giratorio. El canal de palas de la etapa del elemento de la turbina es convergente, y el gas de alta temperatura y alta presión de la cámara de combustión se expande y acelera en él, mientras la turbina genera trabajo mecánico.
Características de transferencia de calor de la superficie exterior del álabe de la turbina.
El coeficiente de transferencia de calor por convección entre el gas y la superficie de la pala se calcula utilizando la fórmula de enfriamiento de Newton.
Para la superficie de presión y la superficie de succión, el coeficiente de transferencia de calor por convección es mayor en el borde de ataque de la pala. A medida que la capa límite laminar se espesa gradualmente, el coeficiente de transferencia de calor por convección disminuye gradualmente; en el punto de transición, el coeficiente de transferencia de calor por convección aumenta repentinamente; Después de la transición a la capa límite turbulenta, a medida que la capa inferior viscosa se espesa gradualmente, el coeficiente de transferencia de calor por convección disminuye gradualmente. Para la superficie de succión, la separación del flujo que puede ocurrir en la sección trasera hará que el coeficiente de transferencia de calor por convección aumente ligeramente.
Enfriamiento por choque
El enfriamiento por impacto consiste en utilizar uno o más chorros de aire frío para impactar la superficie caliente, formando una fuerte transferencia de calor por convección en el área de impacto. La característica del enfriamiento por impacto es que hay un alto coeficiente de transferencia de calor en la superficie de la pared del área de estancamiento donde impacta el flujo de aire frío, por lo que este método de enfriamiento se puede utilizar para aplicar enfriamiento enfocado a la superficie.
El enfriamiento por impacto de la superficie interior del borde de ataque de la pala de la turbina es un enfriamiento por impacto de espacio limitado, y el chorro (flujo de aire frío) no puede mezclarse libremente con el aire circundante. A continuación se presenta el enfriamiento por impacto de un objetivo plano de un solo orificio, que es la base para estudiar el impacto del flujo de impacto y la transferencia de calor.
El flujo de un objetivo de plano de impacto vertical de un solo orificio se muestra en la figura anterior. El objetivo plano es lo suficientemente grande y no tiene rotación, y no hay otro fluido de flujo cruzado en la superficie. Cuando la distancia entre la boquilla y la superficie objetivo no es muy cercana, una sección de la salida del chorro puede considerarse como un chorro libre, concretamente la sección central (Ⅰ) y la sección base (Ⅱ) en la figura. Cuando el chorro se acerca a la superficie objetivo, la línea límite exterior del chorro comienza a cambiar de una línea recta a una curva y el chorro entra en la zona de giro (Ⅲ), también llamada zona de estancamiento. En la zona de estancamiento, el chorro completa la transición de un flujo perpendicular a la superficie objetivo a un flujo paralelo a la superficie objetivo. Después de que el chorro completa un giro de 90 grados, ingresa a la zona del chorro de pared (IV) de la siguiente sección. En la zona del chorro de pared, el fluido fluye paralelo a la superficie objetivo y su límite exterior sigue siendo una línea recta. Cerca de la pared hay una capa límite laminar extremadamente delgada. El avión transporta una gran cantidad de aire frío y la velocidad de llegada es muy alta. La turbulencia en la zona de estancamiento también es muy grande, por lo que el coeficiente de transferencia de calor del enfriamiento por impacto es muy alto.
Enfriamiento por convección
Canal de refrigeración directo radial en el interior de la pala.
El aire de refrigeración fluye directamente a través de la cavidad interior de la paleta guía en dirección radial, absorbiendo calor mediante transferencia de calor por convección para reducir la temperatura del cuerpo de la paleta. Sin embargo, bajo la condición de un cierto volumen de aire de enfriamiento, el coeficiente de transferencia de calor por convección de este método es bajo y el efecto de enfriamiento es limitado.
(2) Múltiples canales de enfriamiento dentro de la hoja (diseño de múltiples cavidades)
El diseño de cavidades múltiples no solo aumenta el coeficiente de transferencia de calor por convección entre el aire frío y la superficie interna de la pala de la turbina, sino que también aumenta el área total de intercambio de calor, aumenta el flujo interno y el tiempo de intercambio de calor, y tiene una alta temperatura de aire frío. tasa de utilización. El efecto de enfriamiento se puede mejorar distribuyendo razonablemente el flujo de aire frío. Por supuesto, la construcción de múltiples cavidades también tiene desventajas. Debido a la larga distancia de circulación del aire de refrigeración, la pequeña área de circulación y las múltiples vueltas del flujo de aire, la resistencia al flujo aumentará. Esta estructura compleja también aumenta la dificultad del procesamiento del proceso y aumenta el costo.
(3)La estructura nervada mejora la transferencia de calor por convección y el enfriamiento de la columna del spoiler
Cada nervadura en la estructura de nervadura actúa como un elemento de perturbación del flujo, haciendo que el fluido se desprenda de la capa límite y forme vórtices con diferentes fuerzas y tamaños. Estos vórtices cambian la estructura del flujo del fluido y el proceso de transferencia de calor mejora significativamente mediante el aumento de la turbulencia del fluido en el área cercana a la pared y el intercambio periódico de masa entre los grandes vórtices y la corriente principal.
La refrigeración de la columna del spoiler debe tener múltiples filas de nervaduras cilíndricas dispuestas de cierta manera dentro del canal de refrigeración interior. Estas nervaduras cilíndricas no sólo aumentan el área de intercambio de calor, sino que también aumentan la mezcla mutua de aire frío en diferentes áreas debido a la perturbación del flujo, lo que puede aumentar significativamente el efecto de transferencia de calor.
Enfriamiento de película
El enfriamiento por película de aire consiste en expulsar aire frío de los orificios o espacios en la superficie caliente y formar una capa de película de aire frío en la superficie caliente para bloquear el calentamiento de la pared sólida por el gas caliente. Dado que la película de aire frío bloquea el contacto entre el flujo de aire principal y la superficie de trabajo, logra el propósito de aislamiento térmico y prevención de la corrosión, por lo que algunas publicaciones también llaman a este método de enfriamiento enfriamiento de barrera.
Las boquillas de enfriamiento de la película suelen ser orificios redondos o filas de orificios redondos y, a veces, están realizadas en ranuras bidimensionales. En las estructuras de enfriamiento reales, suele haber un cierto ángulo entre la boquilla y la superficie que se está enfriando.
Un gran número de estudios sobre orificios cilíndricos en la década de 1990 mostraron que la relación de soplado (la relación entre el flujo denso del chorro y la corriente principal) afectará significativamente el efecto de enfriamiento de la película adiabática de una sola fila de orificios cilíndricos. Después de que el chorro de aire frío ingresa al área principal de gas de alta temperatura, formará un par de pares de vórtices que giran hacia adelante y hacia atrás, también conocidos como pares de vórtices en forma de riñón. Cuando el aire que sopla es relativamente alto, además de los vórtices hacia adelante, el flujo de salida también formará vórtices contrarrotativos. Este vórtice inverso atrapará el gas de alta temperatura en la corriente principal y lo llevará al borde posterior del paso de la pala, reduciendo así el efecto de enfriamiento de la película.
