Struttura della turbina a flusso assiale
Una turbina è una macchina rotativa che converte l'entalpia di un fluido di lavoro in energia meccanica. È uno dei componenti principali dei motori degli aerei, delle turbine a gas e delle turbine a vapore. La conversione dell'energia tra turbine e compressori e il flusso d'aria ha una procedura opposta. Il compressore consuma energia meccanica quando è in funzione e il flusso d'aria acquista energia meccanica quando scorre attraverso il compressore e la pressione e l'entalpia aumentano. Quando la turbina è in funzione, il lavoro dell'albero viene emesso dall'albero della turbina. Parte del lavoro dell'albero viene utilizzato per superare l'attrito sui cuscinetti e azionare gli accessori, mentre il resto viene assorbito dal compressore.
Qui vengono discusse solo le turbine a flusso assiale. La turbina in un motore a turbina a gas è solitamente composta da più stadi, ma lo statore (anello o guida dell'ugello) si trova davanti alla girante rotante. Il canale della pala dello stadio dell'elemento della turbina è convergente e il gas ad alta temperatura e alta pressione proveniente dalla camera di combustione si espande e accelera al suo interno, mentre la turbina produce lavoro meccanico.
Caratteristiche di scambio termico della superficie esterna delle pale di turbina
Il coefficiente di scambio termico convettivo tra il gas e la superficie della pala viene calcolato utilizzando la formula di raffreddamento di Newton.
Per la superficie di pressione e la superficie di aspirazione, il coefficiente di scambio termico convettivo è massimo in corrispondenza del bordo anteriore della pala. Man mano che lo strato limite laminare si ispessisce gradualmente, il coefficiente di scambio termico convettivo diminuisce gradualmente; nel punto di transizione il coefficiente di scambio termico convettivo aumenta improvvisamente; dopo la transizione allo strato limite turbolento, man mano che lo strato inferiore viscoso si ispessisce gradualmente, il coefficiente di scambio termico convettivo diminuisce gradualmente. Per la superficie aspirante, la separazione dei flussi che può verificarsi nella sezione posteriore, farà aumentare leggermente il coefficiente di scambio termico convettivo.
Raffreddamento shock
Il raffreddamento ad urto consiste nell'utilizzare uno o più getti d'aria fredda per colpire la superficie calda, formando un forte trasferimento di calore per convezione nell'area di impatto. La caratteristica del raffreddamento ad impatto è che esiste un elevato coefficiente di trasferimento del calore sulla superficie della parete dell'area di ristagno dove colpisce il flusso d'aria fredda, quindi questo metodo di raffreddamento può essere utilizzato per applicare un raffreddamento mirato alla superficie.
Il raffreddamento ad urto della superficie interna del bordo anteriore della pala della turbina è un raffreddamento ad urto in spazio limitato e il getto (flusso di aria fredda) non può mescolarsi liberamente con l'aria circostante. Di seguito viene introdotto il raffreddamento per impatto di un bersaglio piano a foro singolo, che costituisce la base per studiare l'impatto del flusso per impatto e del trasferimento di calore.
Il flusso di un bersaglio con piano di impatto verticale a foro singolo è mostrato nella figura sopra. Il bersaglio aereo è abbastanza grande e non ha rotazione e non c'è altro fluido a flusso incrociato sulla superficie. Quando la distanza tra l'ugello e la superficie target non è molto ravvicinata, una sezione dell'uscita del getto può essere considerata un getto libero, vale a dire la sezione centrale (Ⅰ) e la sezione base (Ⅱ) nella figura. Quando il getto si avvicina alla superficie target, la linea di confine esterna del getto inizia a cambiare da una linea retta a una curva e il getto entra nella zona di svolta (Ⅲ), chiamata anche zona di stagnazione. Nella zona di stagnazione, il getto completa la transizione da un flusso perpendicolare alla superficie target ad un flusso parallelo alla superficie target. Dopo che il getto ha completato una virata di 90 gradi, entra nella zona del getto a parete (IV) della sezione successiva. Nella zona del getto a parete, il fluido scorre parallelo alla superficie target e il suo confine esterno rimane una linea retta. Vicino alla parete c'è uno strato limite laminare estremamente sottile. Il getto trasporta una grande quantità di aria fredda e la velocità di arrivo è molto elevata. Anche la turbolenza nella zona di stagnazione è molto elevata, quindi il coefficiente di trasferimento del calore del raffreddamento ad impatto è molto elevato.
Raffreddamento per convezione
Canale radiale di raffreddamento diretto all'interno della pala
L'aria di raffreddamento scorre direttamente attraverso la cavità interna della pala in direzione radiale, assorbendo calore attraverso il trasferimento di calore per convezione per ridurre la temperatura del corpo della pala. Tuttavia, a condizione di un determinato volume di aria di raffreddamento, il coefficiente di trasferimento del calore per convezione di questo metodo è basso e l'effetto di raffreddamento è limitato.
(2) Canali di raffreddamento multipli all'interno della lama (design multi-cavità)
Il design multi-cavità non solo aumenta il coefficiente di scambio termico convettivo tra l'aria fredda e la superficie interna della pala della turbina, ma aumenta anche l'area totale di scambio termico, aumenta il flusso interno e il tempo di scambio termico e ha un'elevata aria fredda tasso di utilizzo. L'effetto di raffreddamento può essere migliorato distribuendo ragionevolmente il flusso d'aria fredda. Naturalmente la struttura multicavità presenta anche degli svantaggi. A causa della lunga distanza di circolazione dell'aria di raffreddamento, della piccola area di circolazione e delle molteplici rotazioni del flusso d'aria, la resistenza al flusso aumenterà. Questa struttura complessa aumenta anche la difficoltà di elaborazione del processo e rende i costi più elevati.
(3)La struttura a nervature migliora il trasferimento di calore convettivo e il raffreddamento della colonna dello spoiler
Ciascuna nervatura della struttura delle nervature agisce come un elemento di disturbo del flusso, provocando il distacco del fluido dallo strato limite e la formazione di vortici con intensità e dimensioni diverse. Questi vortici modificano la struttura del flusso del fluido e il processo di trasferimento del calore viene notevolmente migliorato attraverso l’aumento della turbolenza del fluido nell’area vicino alla parete e lo scambio periodico di massa tra i grandi vortici e il flusso principale.
Il raffreddamento della colonna dello spoiler deve avere più file di nervature cilindriche disposte in un certo modo all'interno del canale di raffreddamento interno. Queste nervature cilindriche non solo aumentano l'area di scambio termico, ma aumentano anche la miscelazione reciproca dell'aria fredda in diverse aree a causa del disturbo del flusso, che può aumentare significativamente l'effetto di trasferimento del calore.
Raffreddamento della pellicola
Il raffreddamento a film d'aria consiste nel soffiare aria fredda dai fori o negli spazi vuoti sulla superficie calda e formare uno strato di film d'aria fredda sulla superficie calda per bloccare il riscaldamento della parete solida da parte del gas caldo. Poiché il film di aria fredda blocca il contatto tra il flusso d'aria principale e la superficie di lavoro, raggiunge lo scopo di isolamento termico e prevenzione della corrosione, per questo in alcune pubblicazioni questo metodo di raffreddamento viene chiamato anche raffreddamento a barriera.
Gli ugelli di raffreddamento del film sono generalmente fori rotondi o file di fori rotondi e talvolta sono realizzati in fessure bidimensionali. Nelle strutture di raffreddamento reali, di solito c'è un certo angolo tra l'ugello e la superficie da raffreddare.
Un gran numero di studi sui fori cilindrici negli anni ’90 hanno dimostrato che il rapporto di soffiaggio (il rapporto tra il flusso denso del getto e il flusso principale) influenzerà in modo significativo l’effetto di raffreddamento adiabatico del film di una singola fila di fori cilindrici. Dopo che il getto d'aria fredda entra nell'area principale del gas ad alta temperatura, formerà una coppia di coppie di vortici rotanti in avanti e all'indietro, note anche come coppie di vortici a forma di rene. Quando il flusso d'aria è relativamente elevato, oltre ai vortici in avanti, il deflusso formerà anche vortici controrotanti. Questo vortice inverso intrappolerà il gas ad alta temperatura nel flusso principale e lo porterà al bordo d'uscita del passaggio della lama, riducendo così l'effetto di raffreddamento della pellicola.
