Turbinenschaufel
Bei konstantem Druckverhältnis steigt der thermische Wirkungsgrad des Motors mit zunehmender Turbineneintrittstemperatur (TET). Hohe Temperaturen können jedoch die Turbine beschädigen, da die Schaufeln großen Zentrifugalspannungen ausgesetzt sind und die Materialien bei hohen Temperaturen schwächer sind. Daher ist eine Turbinenschaufelkühlung unerlässlich. Aktuelle moderne Turbinenkonstruktionen arbeiten mit Eintrittstemperaturen von mehr als 1900 Kelvin, was durch aktive Kühlung der Turbinenkomponenten erreicht wird.
Methoden der Kühlungbearbeiten
Die Kühlung der Komponenten kann durch Luft- oder Flüssigkeitskühlung erfolgen. Die Flüssigkeitskühlung scheint aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität und der Wahrscheinlichkeit einer Verdunstungskühlung attraktiver zu sein, es kann jedoch zu Leckagen, Korrosion, Erstickung und anderen Problemen kommen. was gegen diese Methode funktioniert. Auf der anderen Seite ermöglicht die Luftkühlung die Abluft ohne Probleme in den Hauptstrom. Die zu diesem Zweck erforderliche Luftmenge beträgt 1-3% des Hauptstroms und die Schaufeltemperatur kann um 200-300 ° C reduziert werden. Es gibt viele Techniken der Kühlung in Gasturbinenschaufeln; Konvektion, Film, Transpirationskühlung, Kühlerguss, Stiftrippenkühlung usw. die unter die Kategorien der internen und externen Kühlung fallen. Während alle Methoden ihre Unterschiede haben, arbeiten sie alle, indem sie kühlere Luft (häufig entlüftet vom Kompressor) verwenden, um Wärme von den Turbinenschaufeln zu entfernen.
Interne Kühlungbearbeiten
Konvektionskühlungbearbeiten
Es funktioniert, indem Kühlluft durch Kanäle innerhalb der Klinge geleitet wird. Die Wärme wird durch Wärmeleitung durch die Klinge und dann durch Konvektion in die im Inneren der Klinge strömende Luft übertragen. Eine große innere Oberfläche ist für dieses Verfahren wünschenswert, daher neigen die Kühlwege dazu, serpentinenförmig und voller kleiner Rippen zu sein. Die inneren Durchgänge in der Klinge können kreisförmig oder elliptisch sein. Die Kühlung wird erreicht, indem die Luft durch diese Kanäle von der Nabe zur Schaufelspitze geleitet wird. Diese Kühlluft kommt von einem Luftkompressor. Im Falle einer Gasturbine ist das Fluid außen relativ heiß, das durch den Kühlkanal strömt und sich an der Schaufelspitze mit dem Hauptstrom vermischt.
Impingementkühlungbearbeiten
Eine Variation der Konvektionskühlung, die Impingementkühlung, wirkt, indem sie die innere Oberfläche der Klinge mit Luft mit hoher Geschwindigkeit trifft. Dadurch kann mehr Wärme durch Konvektion übertragen werden als bei normaler Konvektionskühlung. Die Prallkühlung wird in den Bereichen der größten Wärmebelastung eingesetzt. Bei Turbinenschaufeln hat die Vorderkante maximale Temperatur und damit Wärmebelastung. Prallkühlung wird auch in der Mitte des Flügels verwendet. Klingen sind hohl mit einem Kern. Es gibt interne Kühlkanäle. Kühlluft tritt aus dem Vorderkantenbereich ein und wendet sich der Hinterkante zu.
Externe Kühlungbearbeiten
Filmkühlungbearbeiten
Die Filmkühlung (auch Dünnschichtkühlung genannt), eine weit verbreitete Art, ermöglicht eine höhere Kühleffektivität als Konvektions- und Prallkühlung. Diese Technik besteht darin, die Kühlluft aus der Klinge durch mehrere kleine Löcher oder Schlitze in der Struktur zu pumpen. Auf der Außenfläche der Schaufel wird dann eine dünne Schicht (der Film) Kühlluft erzeugt, die die Wärmeübertragung vom Hauptstrom verringert, dessen Temperatur (1300-1800 Kelvin) den Schmelzpunkt des Schaufelmaterials (1300-1400 Kelvin) überschreiten kann. Die Fähigkeit des Filmkühlsystems, die Oberfläche zu kühlen, wird typischerweise unter Verwendung eines Parameters bewertet, der als Kühleffektivität bezeichnet wird. Eine höhere Kühleffektivität (mit einem Maximalwert von eins) zeigt an, dass die Schaufelmaterialtemperatur näher an der Kühlmitteltemperatur liegt. An Stellen, an denen sich die Schaufeltemperatur der Heißgastemperatur nähert, nähert sich die Kühlwirkung Null an. Die Kühlwirkung wird hauptsächlich durch die Kühlmittelflussparameter und die Einspritzgeometrie beeinflusst. Zu den Kühlmittelflussparametern gehören die Geschwindigkeits-, Dichte-, Blas- und Impulsverhältnisse, die unter Verwendung der Kühlmittel- und Strömungscharakteristiken berechnet werden. Die Parameter der Einspritzgeometrie bestehen aus der Loch- oder Schlitzgeometrie (d. h. zylindrische, geformte Löcher oder Schlitze) und dem Einspritzwinkel. Ein Programm der United States Air Force in den frühen 1970er Jahren finanzierte die Entwicklung einer Turbinenschaufel, die sowohl Film- als auch konvektionsgekühlt war, und diese Methode ist in modernen Turbinenschaufeln üblich geworden.Das Einspritzen der kühleren Entlüftung in die Strömung verringert den isentropen Wirkungsgrad der Turbine; Die Kompression der Kühlluft (die keine Leistung zum Motor beiträgt) verursacht eine energetische Strafe; und der Kühlkreislauf erhöht die Komplexität des Motors erheblich. All diese Faktoren müssen durch die Steigerung der Gesamtleistung (Leistung und Wirkungsgrad) kompensiert werden, die durch die Erhöhung der Turbine ermöglicht wird temperature.In in den letzten Jahren haben Forscher vorgeschlagen, Plasmaaktuatoren zur Filmkühlung zu verwenden. Die Filmkühlung von Turbinenschaufeln unter Verwendung eines dielektrischen Barriereentladungsaktuators wurde zuerst von Roy und Wang vorgeschlagen. Es hat sich gezeigt, dass ein hufeisenförmiger Plasmaaktor, der in der Nähe von Löchern für den Gasstrom angeordnet ist, die Filmkühlwirkung signifikant verbessert. Im Anschluss an die vorangegangenen Forschungen zeigten jüngste Berichte, die sowohl experimentelle als auch numerische Methoden verwendeten, den Effekt der Kühlungsverbesserung um 15% unter Verwendung eines Plasmaaktors.
Kühleffusionbearbeiten
Die Schaufeloberfläche besteht aus porösem Material, was bedeutet, dass eine große Anzahl kleiner Öffnungen an der Oberfläche vorhanden ist. Durch diese porösen Löcher wird Kühlluft gedrückt, die einen Film oder eine kühlere Grenzschicht bildet. Außerdem wird diese gleichmäßige Kühlung durch Ausströmen des Kühlmittels über die gesamte Schaufelfläche bewirkt.
Pin fin coolingEdit
In der schmalen Hinterkante wird die Filmkühlung verwendet, um die Wärmeübertragung von der Klinge zu verbessern. Es gibt eine Reihe Stiftflossen auf der Blattoberfläche. Die Wärmeübertragung erfolgt von diesem Array und durch die Seitenwände. Wenn das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit über die Rippen fließt, trennt sich die Strömung und es bilden sich Wellen. Viele Faktoren tragen zur Wärmeübertragungsrate bei, unter denen die Art der Stiftrippe und der Abstand zwischen den Rippen am wichtigsten sind.
Transpirationskühlungbearbeiten
Dies ähnelt der Filmkühlung insofern, als es einen dünnen Kühlluftfilm auf der Klinge erzeugt, sich jedoch darin unterscheidet, dass Luft durch eine poröse Hülle “austritt” und nicht durch Löcher injiziert wird. Diese Art der Kühlung ist bei hohen Temperaturen wirksam, da sie die gesamte Klinge gleichmäßig mit kühler Luft bedeckt. Transpirationsgekühlte Schaufeln bestehen im Allgemeinen aus einer starren Strebe mit einer porösen Hülle. Luft strömt durch interne Kanäle der Strebe und passiert dann die poröse Hülle, um die Klinge zu kühlen. Wie bei der Filmkühlung verringert eine erhöhte Kühlluft den Turbinenwirkungsgrad, daher muss diese Abnahme mit einer verbesserten Temperaturleistung ausgeglichen werden.
