Turbinblad
vid ett konstant tryckförhållande ökar motorns termiska effektivitet när turbinens ingångstemperatur (TET) ökar. Höga temperaturer kan dock skada turbinen, eftersom bladen är under stora centrifugalspänningar och material är svagare vid hög temperatur. Så, kylning av turbinblad är viktigt. Nuvarande moderna turbinkonstruktioner arbetar med inloppstemperaturer högre än 1900 Kelvin vilket uppnås genom att aktivt kyla turbinkomponenterna.
metoder för kylningredigera
kylning av komponenter kan uppnås genom luft-eller vätskekylning. Vätskekylning verkar vara mer attraktiv på grund av hög specifik värmekapacitet och risk för förångningskylning men det kan finnas läckage, korrosion, kvävning och andra problem. som fungerar mot denna metod. Å andra sidan tillåter luftkylning den urladdade luften i huvudflödet utan problem. Mängden luft som krävs för detta ändamål är 1-3% av huvudflödet och bladtemperaturen kan sänkas med 200-300 C. Det finns många tekniker för kylning som används i gasturbinblad; konvektion, film, transpiration kylning, kylning effusion, pin fin kylning etc. som faller under kategorierna Intern och extern kylning. Medan alla metoder har sina skillnader, arbetar de alla med att använda svalare luft (ofta blödd från kompressorn) för att avlägsna värme från turbinbladen.
intern kylningredigera
Konvektionskylningredigera
det fungerar genom att passera kylluft genom passager inre till bladet. Värme överförs genom ledning genom bladet och sedan genom konvektion i luften som strömmar inuti bladet. En stor inre yta är önskvärd för denna metod, så kylvägarna tenderar att vara serpentin och fulla av små fenor. De inre passagerna i bladet kan vara cirkulära eller elliptiska i form. Kylning uppnås genom att luften passerar genom dessa passager från Navet mot bladspetsen. Denna kylluft kommer från en luftkompressor. Vid gasturbin är vätskan utanför relativt varm som passerar genom kylpassagen och blandas med huvudströmmen vid bladspetsen.
Impingement kylningredigera
en variation av konvektion kylning, impingement kylning, fungerar genom att slå den inre ytan av bladet med hög hastighet luft. Detta gör att mer värme kan överföras genom konvektion än vanlig konvektionskylning gör. Impingement kylning används i de regioner med största värmebelastningar. Vid turbinblad har framkanten Maximal temperatur och därmed värmebelastning. Impingement kylning används också i mitten ackord av skoveln. Bladen är ihåliga med en kärna. Det finns interna kylpassager. Kylluft kommer in från framkanten och svänger mot bakkanten.
extern kylningredigera
filmkylningredigera
Filmkylning (även kallad tunnfilmkylning), en allmänt använd typ, möjliggör högre kylningseffektivitet än antingen konvektion och impingementkylning. Denna teknik består av att pumpa kylluften ut ur bladet genom flera små hål eller slitsar i strukturen. Ett tunt skikt (filmen) av kylluft skapas sedan på bladets yttre yta, vilket minskar värmeöverföringen från huvudflödet, vars temperatur (1300-1800 Kelvin) kan överstiga smältpunkten för bladmaterialet (1300-1400 Kelvin). Filmkylsystemets förmåga att kyla ytan utvärderas vanligtvis med hjälp av en parameter som kallas kylningseffektivitet. Högre kylningseffektivitet (med maximalt värde av en) indikerar att bladmaterialtemperaturen är närmare kylvätsketemperaturen. På platser där bladtemperaturen närmar sig den heta gastemperaturen närmar sig kylningseffektiviteten noll. Kylningseffektiviteten påverkas huvudsakligen av kylvätskeflödesparametrarna och injektionsgeometrin. Kylvätskeflödesparametrar inkluderar hastighet, densitet, blåsning och momentumförhållanden som beräknas med hjälp av kylvätskan och vanliga flödesegenskaper. Injektion geometri parametrar består av hål eller spår geometri (dvs cylindriska, formade hål eller slitsar) och injektioner vinkel. Ett amerikanskt Flygvapenprogram i början av 1970-talet finansierade utvecklingen av ett turbinblad som var både film-och konvektionskylt, och den metoden har blivit vanlig i moderna turbinblad.Genom att injicera kylaren blöda in i flödet minskar turbinens isentropiska effektivitet; kompressionen av kylluften (som inte bidrar med kraft till motorn) medför en energisk straff; och kylkretsen ger motorn avsevärd komplexitet. Alla dessa faktorer måste kompenseras av ökningen av total prestanda (kraft och effektivitet) som tillåts av ökningen av turbinen temperature.In de senaste åren har forskare föreslagit att man använder plasmaställdon för filmkylning. Filmkylningen av turbinblad genom att använda ett plasmaställdon för dielektrisk barriärurladdning föreslogs först av Roy och Wang. Ett hästskoformat plasmaställdon, som ligger i närheten av hål för gasflöde, har visat sig förbättra filmkylningseffektiviteten avsevärt. Efter den tidigare forskningen visade nya rapporter med både experimentella och numeriska metoder effekten av kylförbättring med 15% med hjälp av ett plasmaställdon.
kylning effusionredigera
bladytan är tillverkad av poröst material vilket innebär att ha ett stort antal små öppningar på ytan. Kylluft tvingas genom dessa porösa hål som bildar en film eller svalare gränsskikt. Förutom denna enhetliga kylning orsakas av utgjutning av kylvätskan över hela bladytan.
Pin fin coolingEdit
i den smala bakkanten film kylning används för att förbättra värmeöverföringen från bladet. Det finns en rad stiftfenor på bladytan. Värmeöverföring sker från denna matris och genom sidoväggarna. När kylvätskan strömmar över fenorna med hög hastighet separerar flödet och vaknar bildas. Många faktorer bidrar till värmeöverföringshastighet, bland vilka typen av stiftfena och avståndet mellan fenor är de viktigaste.
Transpiration coolingEdit
Detta liknar filmkylning genom att det skapar en tunn film av kylluft på bladet, men det är annorlunda genom att luft “läcker” genom ett poröst skal snarare än injiceras genom hål. Denna typ av kylning är effektiv vid höga temperaturer eftersom den jämnt täcker hela bladet med kall luft. Transpirationskylda blad består i allmänhet av en styv Fjäderben med ett poröst skal. Luft strömmar genom stagens inre kanaler och passerar sedan genom det porösa skalet för att kyla bladet. Som med filmkylning minskar ökad kylluft turbineffektiviteten, därför måste minskningen balanseras med förbättrad temperaturprestanda.
