مبانی توربین - فن آوری خنک کننده توربین و تیغه

ساختار توربین جریان محوری

توربین یک ماشین قدرت دوار است که آنتالپی سیال در حال کار را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. این یکی از اجزای اصلی موتور هواپیما، توربین های گازی و توربین های بخار است. تبدیل انرژی بین توربین ها و کمپرسورها و جریان هوا برعکس است. کمپرسور در هنگام کار انرژی مکانیکی مصرف می کند و جریان هوا با عبور از کمپرسور انرژی مکانیکی به دست می آورد و فشار و آنتالپی افزایش می یابد. هنگامی که توربین در حال کار است، کار شفت از شفت توربین خارج می شود. بخشی از کار شفت برای غلبه بر اصطکاک روی یاتاقان ها و راندن لوازم جانبی استفاده می شود و بقیه توسط کمپرسور جذب می شود.

در اینجا فقط توربین های جریان محوری مورد بحث قرار می گیرند. توربین در یک موتور توربین گاز معمولاً از چند مرحله تشکیل شده است، اما استاتور (حلقه نازل یا راهنما) در جلوی پروانه چرخان قرار دارد. کانال تیغه مرحله عنصر توربین همگرا است و گاز با دمای بالا و فشار بالا از محفظه احتراق در آن منبسط و شتاب می گیرد، در حالی که توربین کار مکانیکی را تولید می کند.

مشخصات انتقال حرارت سطح بیرونی پره توربین

ضریب انتقال حرارت همرفتی بین گاز و سطح تیغه با استفاده از فرمول خنک کننده نیوتن محاسبه می شود.

برای سطح فشار و سطح مکش، ضریب انتقال حرارت همرفتی در لبه جلویی تیغه بالاترین میزان است. همانطور که لایه مرزی آرام به تدریج ضخیم می شود، ضریب انتقال حرارت همرفتی به تدریج کاهش می یابد. در نقطه انتقال، ضریب انتقال حرارت همرفتی به طور ناگهانی افزایش می یابد. پس از انتقال به لایه مرزی آشفته، با ضخیم شدن تدریجی لایه زیرین چسبناک، ضریب انتقال حرارت همرفتی به تدریج کاهش می یابد. برای سطح مکش، جدایی جریانی که ممکن است در قسمت عقب رخ دهد باعث می شود ضریب انتقال حرارت همرفتی کمی افزایش یابد.

شوک خنک کننده

خنک کننده برخوردی استفاده از یک یا چند جت هوای سرد برای ضربه زدن به سطح داغ است که انتقال حرارت همرفتی قوی را در ناحیه ضربه ایجاد می کند. ویژگی خنک کننده برخوردی این است که ضریب انتقال حرارت بالایی در سطح دیواره ناحیه ایستایی وجود دارد که جریان هوای سرد در آن تأثیر می گذارد، بنابراین می توان از این روش خنک کننده برای اعمال خنک کننده متمرکز بر روی سطح استفاده کرد.

خنک کننده برخوردی سطح داخلی لبه جلویی پره توربین یک خنک کننده برخورد با فضای محدود است و جت (جریان هوای سرد) نمی تواند آزادانه با هوای اطراف مخلوط شود. در ادامه به معرفی خنک‌سازی برخوردی هدف هواپیمای تک سوراخ می‌پردازیم که مبنایی برای مطالعه تأثیر جریان برخورد و انتقال حرارت است.

جریان یک هدف هواپیمای برخورد عمودی تک سوراخ در شکل بالا نشان داده شده است. هدف هواپیما به اندازه کافی بزرگ است و هیچ چرخشی ندارد و سیال متقاطع دیگری روی سطح وجود ندارد. هنگامی که فاصله بین نازل و سطح هدف خیلی نزدیک نباشد، بخشی از خروجی جت را می توان به عنوان یک جت آزاد در نظر گرفت، یعنی بخش هسته (Ⅰ) و بخش پایه (Ⅱ) در شکل. هنگامی که جت به سطح هدف نزدیک می شود، خط مرزی بیرونی جت شروع به تغییر از یک خط مستقیم به یک منحنی می کند و جت وارد منطقه چرخشی (Ⅲ) می شود که به آن منطقه سکون نیز می گویند. در منطقه ایستایی، جت انتقال از جریان عمود بر سطح هدف به جریان موازی با سطح هدف را تکمیل می کند. پس از اینکه جت چرخش 90 درجه را کامل کرد، وارد منطقه جت دیواری (IV) قسمت بعدی می شود. در ناحیه جت دیوار، سیال به موازات سطح هدف جریان می‌یابد و مرز بیرونی آن یک خط مستقیم باقی می‌ماند. در نزدیکی دیوار یک لایه مرزی بسیار نازک وجود دارد. جت مقدار زیادی هوای سرد را حمل می کند و سرعت رسیدن آن بسیار بالاست. تلاطم در ناحیه رکود نیز بسیار زیاد است، بنابراین ضریب انتقال حرارت خنک کننده ضربه بسیار بالا است.

خنک کننده همرفت

کانال خنک کننده مستقیم شعاعی داخل تیغه

هوای خنک‌کننده مستقیماً از طریق حفره داخلی پره راهنما در جهت شعاعی جریان می‌یابد و گرما را از طریق انتقال حرارت جابجایی جذب می‌کند تا دمای بدنه تیغه را کاهش دهد. با این حال، تحت شرایط حجم هوای خنک کننده معین، ضریب انتقال حرارت همرفتی این روش کم است و اثر خنک کنندگی محدود است.

(2) کانال های خنک کننده متعدد در داخل تیغه (طراحی چند حفره)

طراحی چند حفره ای نه تنها ضریب انتقال حرارت همرفتی بین هوای سرد و سطح داخلی تیغه توربین را افزایش می دهد، بلکه باعث افزایش کل منطقه تبادل حرارتی، افزایش جریان داخلی و زمان تبادل گرما می شود و هوای سرد بالایی دارد. نرخ بهره برداری با توزیع معقول جریان هوای سرد می توان اثر خنک کننده را بهبود بخشید. البته طراحی چند حفره ای معایبی نیز دارد. با توجه به فاصله زیاد گردش هوای خنک کننده، ناحیه گردش کوچک و چرخش های متعدد جریان هوا، مقاومت جریان افزایش می یابد. این ساختار پیچیده همچنین دشواری پردازش فرآیند را افزایش می دهد و هزینه را بیشتر می کند.

(3ساختار دنده ای انتقال حرارت همرفتی و خنک کننده ستون اسپویلر را افزایش می دهد

هر دنده در ساختار دنده به عنوان یک عنصر اختلال در جریان عمل می کند و باعث می شود که سیال از لایه مرزی جدا شود و گرداب هایی با قدرت و اندازه های مختلف ایجاد کند. این گرداب ها ساختار جریان سیال را تغییر می دهند و فرآیند انتقال حرارت به طور قابل توجهی از طریق افزایش تلاطم سیال در ناحیه نزدیک دیوار و تبادل جرم دوره ای بین گرداب های بزرگ و جریان اصلی افزایش می یابد.

خنک کننده ستون اسپویلر عبارت است از داشتن ردیف های متعدد از دنده های استوانه ای که به روش خاصی در داخل کانال خنک کننده داخلی چیده شده اند. این دنده های استوانه ای نه تنها سطح تبادل حرارت را افزایش می دهند، بلکه اختلاط متقابل هوای سرد را در نواحی مختلف به دلیل اختلال در جریان افزایش می دهند که می تواند اثر انتقال حرارت را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.

خنک کننده فیلم

خنک‌سازی فیلم هوا به بیرون دمیدن هوای سرد از سوراخ‌ها یا شکاف‌های روی سطح داغ و تشکیل لایه‌ای از فیلم هوای سرد روی سطح داغ است تا گرم شدن دیوار جامد توسط گاز داغ را مسدود کند. از آنجایی که فیلم هوای سرد تماس بین جریان اصلی هوا و سطح کار را مسدود می کند، به هدف عایق حرارتی و جلوگیری از خوردگی دست می یابد، بنابراین برخی از ادبیات این روش خنک کننده را خنک کننده مانع می نامند.

نازل های خنک کننده فیلم معمولاً سوراخ های گرد یا ردیفی از سوراخ های گرد هستند و گاهی اوقات آنها را به شکاف های دو بعدی تبدیل می کنند. در سازه های خنک کننده واقعی، معمولاً یک زاویه مشخص بین نازل و سطح در حال خنک شدن وجود دارد.

تعداد زیادی از مطالعات روی سوراخ‌های استوانه‌ای در دهه 1990 نشان داد که نسبت دمش (نسبت جریان متراکم جت به جریان اصلی) به طور قابل‌توجهی بر اثر خنک‌کننده فیلم آدیاباتیک یک ردیف سوراخ استوانه‌ای تأثیر می‌گذارد. پس از اینکه جت هوای سرد وارد منطقه اصلی گاز با دمای بالا شد، یک جفت جفت گرداب چرخشی رو به جلو و معکوس را تشکیل می دهد که به عنوان یک جفت گرداب کلیه شکل نیز شناخته می شود. هنگامی که هوای دمنده نسبتاً زیاد باشد، علاوه بر گرداب های رو به جلو، جریان خروجی نیز گردابه های ضد چرخشی را تشکیل می دهد. این گرداب معکوس گاز با دمای بالا را در جریان اصلی به دام می اندازد و آن را به لبه انتهایی گذرگاه تیغه می رساند و در نتیجه اثر خنک کننده فیلم را کاهش می دهد.