Struktur turbin aliran aksial
Turbin adalah mesin tenaga putar yang mengubah entalpi fluida kerja menjadi energi mekanik. Ini adalah salah satu komponen utama mesin pesawat terbang, turbin gas, dan turbin uap. Konversi energi antara turbin dan kompresor serta aliran udara memiliki prosedur yang berlawanan. Kompresor mengkonsumsi energi mekanik saat bekerja, dan aliran udara memperoleh energi mekanik saat mengalir melalui kompresor, dan tekanan serta entalpi meningkat. Pada saat turbin berjalan, kerja poros dikeluarkan dari poros turbin. Sebagian kerja poros digunakan untuk mengatasi gesekan pada bantalan dan menggerakkan aksesoris, dan sisanya diserap oleh kompresor.
Hanya turbin aliran aksial yang dibahas di sini. Turbin pada mesin turbin gas biasanya terdiri dari beberapa tahap, namun stator (cincin nosel atau pemandu) terletak di depan impeler yang berputar. Saluran sudu tahap elemen turbin bersifat konvergen, dan gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi dari ruang bakar mengembang dan berakselerasi di dalamnya, sedangkan turbin menghasilkan kerja mekanis.
Karakteristik perpindahan panas permukaan luar sudu turbin
Koefisien perpindahan panas konvektif antara gas dan permukaan sudu dihitung menggunakan rumus pendinginan Newton.
Untuk permukaan tekanan dan permukaan hisap, koefisien perpindahan panas konvektif paling tinggi pada ujung depan sudu. Ketika lapisan batas laminar secara bertahap menebal, koefisien perpindahan panas konvektif secara bertahap menurun; pada titik transisi, koefisien perpindahan panas konvektif tiba-tiba meningkat; setelah transisi ke lapisan batas turbulen, ketika lapisan bawah kental secara bertahap menebal, koefisien perpindahan panas konvektif secara bertahap menurun. Untuk permukaan isap, pemisahan aliran yang mungkin terjadi pada bagian belakang akan menyebabkan koefisien perpindahan panas konvektif sedikit meningkat.
Pendinginan Kejut
Pendinginan pelampiasan adalah dengan menggunakan satu atau lebih pancaran udara dingin untuk membentur permukaan panas, membentuk perpindahan panas konveksi yang kuat di area tumbukan. Ciri-ciri pendinginan pelampiasan adalah adanya koefisien perpindahan panas yang tinggi pada permukaan dinding daerah stagnasi yang terkena dampak aliran udara dingin, sehingga metode pendinginan ini dapat digunakan untuk menerapkan pendinginan terfokus pada permukaan.
Pendinginan pelampiasan pada permukaan bagian dalam tepi depan sudu turbin adalah ruang pendinginan pelampiasan yang terbatas, dan pancaran (aliran udara dingin) tidak dapat bercampur secara bebas dengan udara di sekitarnya. Berikut ini memperkenalkan pendinginan pelampiasan target bidang lubang tunggal, yang merupakan dasar untuk mempelajari dampak aliran pelampiasan dan perpindahan panas.
Aliran target bidang tumbukan vertikal lubang tunggal ditunjukkan pada gambar di atas. Target bidang cukup besar dan tidak berputar, serta tidak ada fluida aliran silang lainnya di permukaan. Jika jarak antara nosel dan permukaan target tidak terlalu dekat, maka suatu bagian saluran keluar pancaran dapat dianggap sebagai pancaran bebas, yaitu bagian inti (Ⅰ) dan bagian dasar (Ⅱ) pada gambar. Ketika jet mendekati permukaan target, garis batas luar jet mulai berubah dari garis lurus menjadi kurva, dan jet memasuki zona belok (Ⅲ), disebut juga zona stagnasi. Di zona stagnasi, pancaran menyelesaikan transisi dari aliran yang tegak lurus permukaan target ke aliran yang sejajar dengan permukaan target. Setelah jet menyelesaikan putaran 90 derajat, jet memasuki zona jet dinding (IV) pada bagian berikutnya. Di zona pancaran dinding, fluida mengalir sejajar dengan permukaan target, dan batas luarnya tetap berupa garis lurus. Di dekat dinding terdapat lapisan batas laminar yang sangat tipis. Jet tersebut membawa udara dingin dalam jumlah besar, dan kecepatan kedatangannya sangat tinggi. Turbulensi di zona stagnasi juga sangat besar, sehingga koefisien perpindahan panas dari dampak pendinginan sangat tinggi.
Pendinginan Konveksi
Saluran pendingin langsung radial di dalam blade
Udara pendingin mengalir langsung melalui rongga bagian dalam baling-baling pemandu dalam arah radial, menyerap panas melalui perpindahan panas konveksi untuk menurunkan suhu badan sudu. Namun, dalam kondisi volume udara pendingin tertentu, koefisien perpindahan panas konveksi metode ini rendah dan efek pendinginannya terbatas.
(2) Beberapa saluran pendingin di dalam blade (desain multi-rongga)
Desain multi-rongga tidak hanya meningkatkan koefisien perpindahan panas konvektif antara udara dingin dan permukaan bagian dalam bilah turbin, tetapi juga meningkatkan total area pertukaran panas, meningkatkan aliran internal dan waktu pertukaran panas, serta memiliki udara dingin yang tinggi. tingkat pemanfaatan. Efek pendinginan dapat ditingkatkan dengan mendistribusikan aliran udara dingin secara wajar. Tentu saja desain multi rongga juga memiliki kekurangan. Karena jarak sirkulasi udara pendingin yang jauh, luas sirkulasi yang kecil, dan aliran udara yang berulang kali, maka hambatan aliran akan meningkat. Struktur yang kompleks ini juga meningkatkan kesulitan proses pengolahan dan membuat biaya menjadi lebih tinggi.
(3)Struktur rusuk meningkatkan perpindahan panas konvektif dan pendinginan kolom spoiler
Setiap rusuk pada struktur rusuk berperan sebagai elemen pengganggu aliran sehingga menyebabkan fluida terlepas dari lapisan batas dan membentuk vortisitas dengan kekuatan dan ukuran yang berbeda-beda. Pusaran ini mengubah struktur aliran fluida, dan proses perpindahan panas ditingkatkan secara signifikan melalui peningkatan turbulensi fluida di area dekat dinding dan pertukaran massa berkala antara pusaran besar dan arus utama.
Pendinginan kolom spoiler adalah memiliki beberapa baris rusuk silinder yang disusun dengan cara tertentu di dalam saluran pendingin bagian dalam. Tulang rusuk silinder ini tidak hanya meningkatkan area pertukaran panas, tetapi juga meningkatkan pencampuran udara dingin di berbagai area karena gangguan aliran, yang dapat meningkatkan efek perpindahan panas secara signifikan.
Pendinginan Film
Pendinginan lapisan udara adalah dengan mengeluarkan udara dingin dari lubang atau celah pada permukaan panas dan membentuk lapisan lapisan udara dingin pada permukaan panas untuk menghalangi pemanasan dinding padat oleh gas panas. Karena lapisan udara dingin menghalangi kontak antara aliran udara utama dan permukaan kerja, lapisan ini mencapai tujuan insulasi panas dan pencegahan korosi, sehingga beberapa literatur juga menyebut metode pendinginan ini sebagai pendinginan penghalang.
Nozel pendingin film biasanya berupa lubang bundar atau deretan lubang bundar, dan terkadang dibuat menjadi slot dua dimensi. Dalam struktur pendingin sebenarnya, biasanya terdapat sudut tertentu antara nosel dan permukaan yang didinginkan.
Sejumlah besar penelitian tentang lubang silinder pada tahun 1990an menunjukkan bahwa rasio hembusan (rasio aliran padat jet terhadap arus utama) akan secara signifikan mempengaruhi efek pendinginan film adiabatik dari satu baris lubang silinder. Setelah pancaran udara dingin memasuki area utama gas bersuhu tinggi, akan terbentuk sepasang pasangan pusaran berputar maju dan mundur, yang juga dikenal sebagai pasangan pusaran berbentuk ginjal. Ketika hembusan udara relatif tinggi, selain vortisitas maju, aliran keluar juga akan membentuk vortisitas counter-rotating. Pusaran terbalik ini akan menjebak gas bersuhu tinggi di saluran utama dan membawanya ke tepi belakang saluran sudu, sehingga mengurangi efek pendinginan film.
