Lopatka turbíny
při konstantním tlakovém poměru se tepelná účinnost motoru zvyšuje se zvyšující se vstupní teplotou turbíny (TET). Vysoké teploty však mohou poškodit turbínu, protože lopatky jsou pod velkým odstředivým namáháním a materiály jsou při vysoké teplotě slabší. Chlazení lopatek turbíny je tedy nezbytné. Současné moderní konstrukce turbín pracují se vstupními teplotami vyššími než 1900 Kelvinů, čehož je dosaženo aktivním chlazením součástí turbíny.
Metody coolingEdit
Chlazení komponent může být dosaženo tím, vzduchové nebo kapalinové chlazení. Chlazení kapalinou se zdá být atraktivnější kvůli vysoké měrné tepelné kapacitě a šanci na odpařovací chlazení, ale může dojít k úniku, korozi, udušení a dalším problémům. což funguje proti této metodě. Na druhé straně chlazení vzduchem umožňuje bez problémů odvedený vzduch do hlavního proudu. Množství vzduchu potřebné pro tento účel je 1-3% hlavního průtoku a teplota lopatky může být snížena o 200-300 °C. v lopatkách plynové turbíny se používá mnoho technik chlazení; konvekce, film, transpirační chlazení, chladicí výpotek, chlazení čepele atd. které spadají do kategorií vnitřního a vnějšího chlazení. Zatímco všechny metody mají své rozdíly, všechny pracují pomocí chladnějšího vzduchu (často krváceného z kompresoru) k odstranění tepla z lopatek turbíny.
Vnitřní coolingEdit
Konvekce coolingEdit
To funguje průchodem chladícího vzduchu přes průchody vnitřní ostří. Teplo se přenáší vedením přes čepel a poté konvekcí do vzduchu proudícího uvnitř čepele. Pro tuto metodu je žádoucí velká vnitřní plocha povrchu, takže chladicí dráhy mají tendenci být serpentinové a plné malých ploutví. Vnitřní průchody v čepeli mohou mít kruhový nebo eliptický tvar. Chlazení je dosaženo průchodem vzduchu těmito průchody od náboje směrem ke špičce čepele. Tento chladicí vzduch pochází ze vzduchového kompresoru. V případě plynové turbíny je vnější tekutina relativně horká, která prochází chladicím průchodem a mísí se s hlavním proudem na špičce lopatky.
Impingement coolingEdit
variace konvekční chlazení, impingement chlazení, funguje tím, že udeří na vnitřní povrch čepele s vysokou rychlostí vzduchu. To umožňuje přenášet více tepla konvekcí než běžné konvekční chlazení. Nárazové chlazení se používá v oblastech s největším tepelným zatížením. V případě lopatek turbíny má náběžná hrana maximální teplotu a tím i tepelné zatížení. Nárazové chlazení se také používá ve středním akordu lopatky. Čepele jsou duté s jádrem. K dispozici jsou vnitřní chladicí průchody. Chladicí vzduch vstupuje z oblasti náběžné hrany a otáčí se směrem k zadní hraně.
externí chlazeníeditovat
filmové ochlazeníeditovat
Film chlazení (nazývané také tenký film, chlazení), široce používaný typ, umožňuje vyšší účinnost chlazení než konvekce a impingement chlazení. Tato technika spočívá v čerpání chladicího vzduchu z čepele několika malými otvory nebo štěrbinami ve struktuře. Tenká vrstva (film) chlazení vzduch je pak vytvořena na vnější povrch ostří, čímž se snižuje přenos tepla od hlavního toku, jehož teplota (1300-1800 kelvinů) může překročit bod tání materiál čepele (1300-1400 kelvinů). Schopnost chladicího systému filmu ochlazovat povrch se obvykle hodnotí pomocí parametru zvaného účinnost chlazení. Vyšší účinnost chlazení (s maximální hodnotou jedna) znamená, že teplota materiálu čepele je blíže teplotě chladicí kapaliny. V místech, kde se teplota lopatky blíží teplotě horkého plynu, se účinnost chlazení blíží nule. Účinnost chlazení je ovlivněna hlavně parametry průtoku chladicí kapaliny a geometrií vstřikování. Parametry průtoku chladicí kapaliny zahrnují poměry rychlosti, hustoty, foukání a hybnosti, které jsou vypočteny pomocí charakteristik průtoku chladicí kapaliny a hlavního proudu. Parametry geometrie vstřikování se skládají z geometrie otvoru nebo štěrbiny (tj. válcové, tvarované otvory nebo štěrbiny) a úhlu vstřikování. Program Letectva Spojených států na počátku 70. let financoval vývoj lopatky turbíny, která byla chlazena filmem i konvekcí, a tato metoda se stala běžnou v moderních lopatkách turbíny.Vstřikování chladič krvácet do toku snižuje turbíny izoentropická účinnost; komprese chladicího vzduchu (což nepřispívá moc k motoru) vznikají energetické trest; a chladicího okruhu přidává značnou složitost motoru. Všechny tyto faktory musí být kompenzováno zvýšení celkového výkonu (výkon a účinnost) povoleno zvýšení turbíny teplota.V posledních letech, vědci navrhli pomocí plazmového pohonu pro film chlazení. Filmové chlazení lopatek turbíny pomocí plazmového pohonu s dielektrickým bariérovým výbojem bylo poprvé navrženo Roy a Wangem. Ukázalo se, že plazmový pohon ve tvaru podkovy, který je umístěn v blízkosti otvorů pro průtok plynu, výrazně zlepšuje účinnost chlazení filmu. V návaznosti na předchozí výzkum nedávné zprávy využívající experimentální i numerické metody prokázaly účinek zvýšení chlazení o 15% pomocí plazmového pohonu.
Chlazení effusionEdit
Na povrch čepel je vyrobena z porézního materiálu, což znamená, že velký počet malých otvorů na povrchu. Chladící vzduch je protlačován těmito porézními otvory, které tvoří fólii nebo chladnější mezní vrstvu. Kromě toho je toto rovnoměrné chlazení způsobeno výpotkem chladicí kapaliny po celé ploše čepele.
pin fin coolingEdit
v úzké zadní hraně se chlazení filmu používá ke zvýšení přenosu tepla z čepele. Na povrchu čepele je řada čepových žeber. Přenos tepla probíhá z tohoto pole a bočními stěnami. Když chladicí kapalina protéká ploutvemi vysokou rychlostí, tok se oddělí a vytvoří se probuzení. K rychlosti přenosu tepla přispívá mnoho faktorů, z nichž nejvýznamnější je typ čepové ploutve a rozteč mezi žebry.
Transpirace coolingEdit
To je podobné filmu chlazení v tom, že vytváří tenký film chlazení vzduchu na ostří, ale to je jiná v tom, že vzduch je “unikly” přes porézní skořápku, spíše než aplikován přes otvory. Tento typ chlazení je účinný při vysokých teplotách, protože rovnoměrně pokrývá celou čepel chladným vzduchem. Transpirací chlazené čepele se obecně skládají z tuhé vzpěry s porézním pláštěm. Vzduch protéká vnitřními kanály vzpěry a poté prochází porézní skořápkou, aby se čepel ochladila. Stejně jako u chlazení filmu snižuje zvýšený chladicí vzduch účinnost turbíny, a proto musí být tento pokles vyvážen zlepšeným teplotním výkonem.
