Łopatka turbiny
przy stałym stosunku ciśnienia sprawność cieplna silnika wzrasta wraz ze wzrostem temperatury wejścia turbiny (TET). Jednak wysokie temperatury mogą uszkodzić turbinę, ponieważ łopaty znajdują się pod dużymi naprężeniami odśrodkowymi, a materiały są słabsze w wysokiej temperaturze. Tak więc chłodzenie łopatek turbiny jest niezbędne. Obecne nowoczesne konstrukcje turbin pracują przy temperaturach na wlocie wyższych niż 1900 kelvinów, co uzyskuje się poprzez aktywne chłodzenie elementów turbiny.
metody schładzaniaedytuj
chłodzenie elementów można osiągnąć przez chłodzenie powietrzem lub cieczą. Chłodzenie cieczą wydaje się być bardziej atrakcyjne ze względu na wysoką wydajność cieplną i szanse na chłodzenie wyparne, ale mogą wystąpić wycieki, korozja, dławienie i inne problemy. który działa przeciwko tej metodzie. Z drugiej strony, chłodzenie powietrzem pozwala odprowadzane powietrze do głównego przepływu bez żadnego problemu. Ilość powietrza wymaganego do tego celu wynosi 1-3% głównego przepływu, a temperaturę ostrza można zmniejszyć o 200-300 °C. Istnieje wiele technik chłodzenia stosowanych w łopatkach turbin gazowych; konwekcja, folia, chłodzenie transpiracji, wysięk chłodzący, chłodzenie trzpieniowe itp. które należą do kategorii chłodzenia wewnętrznego i zewnętrznego. Chociaż wszystkie metody mają swoje różnice, wszystkie działają przy użyciu chłodniejszego powietrza (często upuszczanego ze sprężarki) w celu usunięcia ciepła z łopatek turbiny.
chłodzenie Wewnętrzneedytuj
chłodzenie Konwekcyjneedytuj
działa poprzez przepuszczanie powietrza chłodzącego przez kanały wewnętrzne do ostrza. Ciepło jest przenoszone przez przewodzenie przez ostrze, a następnie przez konwekcję do powietrza przepływającego wewnątrz ostrza. Pożądana jest duża powierzchnia wewnętrzna tej metody, więc ścieżki chłodzenia są zwykle serpentynowe i pełne małych płetw. Wewnętrzne przejścia w ostrzu mogą być okrągłe lub eliptyczne. Chłodzenie odbywa się poprzez przepuszczanie powietrza przez te kanały z piasty w kierunku końcówki łopatki. To powietrze chłodzące pochodzi ze sprężarki powietrza. W przypadku turbiny gazowej płyn na zewnątrz jest stosunkowo gorący, który przechodzi przez kanał chłodzący i miesza się z głównym strumieniem na końcówce łopatki.
coolingedytuj
odmiana chłodzenia konwekcyjnego, chłodzenie uderzeniowe, działa poprzez uderzanie w wewnętrzną powierzchnię ostrza powietrzem o dużej prędkości. Pozwala to na przenoszenie większej ilości ciepła przez konwekcję niż zwykłe Chłodzenie konwekcyjne. Chłodzenie udarowe jest stosowane w regionach o największych obciążeniach cieplnych. W przypadku łopatek turbiny krawędź czołowa ma maksymalną temperaturę, a tym samym obciążenie cieplne. Chłodzenie udarowe stosuje się również w akordach środkowych łopatek. Ostrza są wydrążone z rdzeniem. Są wewnętrzne kanały chłodzące. Powietrze chłodzące wchodzi z obszaru krawędzi natarcia i obraca się w kierunku krawędzi spływu.
chłodzenie Zewnętrzneedit
chłodzenie Filmuedit
chłodzenie folii (zwane również chłodzeniem cienkowarstwowym), szeroko stosowany typ, pozwala na wyższą skuteczność chłodzenia niż chłodzenie konwekcyjne i udarowe. Technika ta polega na pompowaniu powietrza chłodzącego z ostrza przez wiele małych otworów lub szczelin w konstrukcji. Następnie na zewnętrznej powierzchni ostrza tworzy się cienka warstwa (folia) powietrza chłodzącego, zmniejszając transfer ciepła z głównego przepływu, którego temperatura (1300-1800 kelvinów) może przekroczyć temperaturę topnienia materiału ostrza (1300-1400 kelvinów). Zdolność systemu chłodzenia folii do chłodzenia powierzchni jest zwykle oceniana za pomocą parametru zwanego skutecznością chłodzenia. Wyższa skuteczność chłodzenia (przy maksymalnej wartości jednego) oznacza, że temperatura materiału ostrza jest bliższa temperaturze chłodziwa. W miejscach, w których temperatura ostrza zbliża się do temperatury gorącego gazu, skuteczność chłodzenia zbliża się do zera. Na skuteczność chłodzenia wpływają głównie parametry przepływu chłodziwa i geometria wtrysku. Parametry przepływu płynu chłodzącego obejmują prędkości, gęstość, stosunek wydmuchu i pędu, które są obliczane przy użyciu chłodziwa i charakterystyki przepływu głównego. Parametry geometrii wtrysku składają się z geometrii otworu lub szczeliny (tj. cylindrycznych, kształtowanych otworów lub szczelin) i kąta wtrysku. Program Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych na początku lat 70. sfinansował opracowanie łopatki turbiny, która była zarówno chłodzona filmem, jak i konwekcją, i ta metoda stała się powszechna we współczesnych łopatkach turbiny.Wstrzyknięcie upustu chłodnicy do przepływu zmniejsza wydajność izentropową turbiny; kompresja powietrza chłodzącego (które nie przyczynia się do zasilania silnika) wiąże się z karą energetyczną; A obwód chłodzenia zwiększa znaczną złożoność silnika. Wszystkie te czynniki muszą być skompensowane przez wzrost ogólnej wydajności (mocy i sprawności) dozwolony przez wzrost turbiny temperature.In w ostatnich latach naukowcy zasugerowali użycie siłownika plazmowego do chłodzenia folii. Film chłodzenia łopatek turbiny za pomocą dielektrycznego siłownika plazmowego z wyładowaniem barierowym został po raz pierwszy zaproponowany przez Roya i Wanga. Wykazano, że siłownik plazmowy W kształcie podkowy, który jest ustawiony w pobliżu otworów do przepływu gazu, znacznie poprawia skuteczność chłodzenia folii. Po wcześniejszych badaniach ostatnie raporty z wykorzystaniem metod eksperymentalnych i numerycznych wykazały efekt wzmocnienia chłodzenia o 15% za pomocą siłownika plazmowego.
efekt chłodzenia edytuj
powierzchnia ostrza jest wykonana z porowatego materiału, co oznacza, że na powierzchni znajduje się duża liczba małych otworów. Powietrze chłodzące jest przepychane przez te porowate otwory, które tworzą warstwę lub warstwę graniczną chłodnicy. Poza tym równomierne chłodzenie jest spowodowane wysiękiem płynu chłodzącego na całej powierzchni ostrza.
chłodzenie płetwy Pinowejedit
w wąskiej krawędzi spływu chłodzenie folii służy do zwiększenia wymiany ciepła z ostrza. Na powierzchni ostrza znajduje się szereg płetw. Wymiana ciepła odbywa się z tego układu i przez ściany boczne. Gdy płyn chłodzący przepływa przez płetwy z dużą prędkością, powstaje przepływ rozdziela się i budzi. Wiele czynników przyczynia się do szybkości transferu ciepła, wśród których najbardziej znaczący jest rodzaj płetwy sworzniowej i odstęp między płetwami.
chłodzenie transpiracji
jest to podobne do chłodzenia folią, ponieważ tworzy cienką warstwę powietrza chłodzącego na ostrzu, ale różni się tym, że powietrze jest “wyciekane” przez porowatą skorupę, a nie wstrzykiwane przez otwory. Ten rodzaj chłodzenia jest skuteczny w wysokich temperaturach, ponieważ równomiernie pokrywa całe ostrze chłodnym powietrzem. Ostrza chłodzone transpiracją zazwyczaj składają się ze sztywnej rozpórki z porowatą skorupą. Powietrze przepływa przez wewnętrzne kanały rozpórki,a następnie przechodzi przez porowatą skorupę, aby schłodzić ostrze. Podobnie jak w przypadku chłodzenia folią, zwiększone powietrze chłodzące zmniejsza wydajność turbiny, dlatego spadek ten musi być równoważony z lepszą wydajnością temperaturową.
