축류 터빈 구조
터빈은 작동 유체의 엔탈피를 기계 에너지로 변환하는 회전식 동력 기계입니다. 항공기 엔진, 가스터빈, 증기터빈의 주요 부품 중 하나입니다. 터빈과 압축기 사이의 에너지 변환과 공기 흐름은 절차가 반대입니다. 압축기는 작동 중에 기계적 에너지를 소비하고, 공기 흐름은 압축기를 통과하면서 기계적 에너지를 얻고 압력과 엔탈피가 증가합니다. 터빈이 작동 중일 때 샤프트 작업은 터빈 샤프트에서 출력됩니다. 샤프트 작업의 일부는 베어링의 마찰을 극복하고 부속품을 구동하는 데 사용되며 나머지는 압축기에 의해 흡수됩니다.
여기서는 축류 터빈만 논의합니다. 가스 터빈 엔진의 터빈은 일반적으로 여러 단계로 구성되지만 고정자(노즐 링 또는 가이드)는 회전하는 임펠러 앞에 위치합니다. 터빈 요소 단계의 블레이드 채널은 수렴하며 연소실의 고온 및 고압 가스가 팽창하고 가속되는 동시에 터빈은 기계적 작업을 출력합니다.
터빈 블레이드 외부 표면의 열전달 특성
가스와 블레이드 표면 사이의 대류 열전달 계수는 뉴턴 냉각 공식을 사용하여 계산됩니다.
압력면과 흡입면의 대류 열전달 계수는 블레이드의 앞쪽 가장자리에서 가장 높습니다. 층류 경계층이 점차 두꺼워짐에 따라 대류 열전달 계수는 점차 감소합니다. 전이점에서 대류 열전달 계수가 갑자기 증가합니다. 난류 경계층으로 전환된 후 점성 바닥층이 점차 두꺼워짐에 따라 대류 열 전달 계수는 점차 감소합니다. 흡입 표면의 경우 후면 부분에서 발생할 수 있는 흐름 분리로 인해 대류 열 전달 계수가 약간 증가합니다.
충격 냉각
충돌 냉각은 하나 이상의 차가운 공기 제트를 사용하여 뜨거운 표면에 충격을 가하여 충격 영역에 강한 대류 열 전달을 형성하는 것입니다. 충돌냉각의 특징은 찬 공기의 흐름이 영향을 미치는 정체지역 벽면의 열전달계수가 높기 때문에 이 냉각방식을 사용하면 표면에 집중적인 냉각을 적용할 수 있다.
터빈 블레이드 선단 내부 표면의 충돌 냉각은 제한된 공간 충돌 냉각이므로 제트(차가운 공기 흐름)가 주변 공기와 자유롭게 혼합될 수 없습니다. 다음은 충돌 흐름과 열 전달의 영향을 연구하기 위한 기초가 되는 단일 구멍 평면 타겟의 충돌 냉각을 소개합니다.
단일 구멍 수직 충격 평면 표적의 흐름은 위 그림에 나와 있습니다. 평면 대상은 충분히 크고 회전이 없으며 표면에 다른 교차 흐름 유체가 없습니다. 노즐과 목표면 사이의 거리가 그다지 가깝지 않은 경우 제트 출구 부분, 즉 그림의 코어 섹션(Ⅰ)과 베이스 섹션(Ⅱ)이 자유 제트로 간주될 수 있습니다. 제트가 목표 표면에 접근하면 제트의 외부 경계선이 직선에서 곡선으로 바뀌기 시작하고 제트는 정체대라고도 불리는 회전대(III)에 진입합니다. 정체 구역에서 제트는 대상 표면에 수직인 흐름에서 대상 표면에 평행한 흐름으로 전환을 완료합니다. 제트가 90도 회전을 완료한 후 다음 섹션의 벽 제트 구역(IV)으로 들어갑니다. 벽제트 구역에서는 유체가 목표 표면과 평행하게 흐르고 그 외부 경계는 직선을 유지합니다. 벽 근처에는 매우 얇은 층류 경계층이 있습니다. 제트기는 다량의 찬 공기를 운반하며 도착 속도도 매우 빠릅니다. 정체 구역의 난류도 매우 크기 때문에 충격 냉각의 열 전달 계수가 매우 높습니다.
대류 냉각
블레이드 내부의 방사형 직접 냉각 채널
냉각 공기는 가이드 베인의 내부 공동을 반경 방향으로 직접 흐르며 대류 열 전달을 통해 열을 흡수하여 블레이드 본체의 온도를 낮춥니다. 그러나 특정 냉각 풍량 조건에서는 이 방법의 대류 열전달 계수가 낮고 냉각 효과가 제한됩니다.
(2) 블레이드 내부의 다중 냉각 채널(다중 캐비티 설계)
멀티 캐비티 설계는 찬 공기와 터빈 블레이드 내부 표면 사이의 대류 열전달 계수를 증가시킬 뿐만 아니라 전체 열교환 면적을 증가시키고 내부 흐름과 열교환 시간을 증가시키며 높은 찬 공기를 갖게 합니다. 활용률. 냉기 흐름을 합리적으로 분산시켜 냉방 효과를 높일 수 있습니다. 물론 멀티캐비티 설계에는 단점도 있습니다. 냉각 공기 순환 거리가 길고 순환 면적이 작으며 공기 흐름이 여러 번 회전하기 때문에 흐름 저항이 증가합니다. 이러한 복잡한 구조는 공정 처리의 어려움을 증가시키고 비용을 더 높게 만듭니다.
(3)리브 구조로 대류 열 전달 및 스포일러 컬럼 냉각 향상
리브 구조의 각 리브는 흐름 교란 요소로 작용하여 유체가 경계층에서 분리되어 다양한 강도와 크기의 소용돌이를 형성합니다. 이러한 와류는 유체의 흐름 구조를 변화시키고, 벽 근처 영역의 유체 난류 증가와 큰 와류와 주류 사이의 주기적인 물질 교환을 통해 열 전달 과정이 크게 향상됩니다.
스포일러 컬럼 냉각은 내부 냉각 채널 내부에 특정 방식으로 배열된 여러 줄의 원통형 리브를 갖는 것입니다. 이러한 원통형 리브는 열교환 면적을 증가시킬 뿐만 아니라 흐름의 교란으로 인해 서로 다른 영역에서 찬 공기의 상호 혼합을 증가시켜 열 전달 효과를 크게 높일 수 있습니다.
필름 냉각
기막냉각은 뜨거운 표면의 구멍이나 틈에서 찬 공기를 불어내고 뜨거운 표면에 찬 공기막층을 형성해 뜨거운 가스에 의해 고체벽이 가열되는 것을 차단하는 방식이다. 차가운 공기막이 주 공기 흐름과 작업 표면 사이의 접촉을 차단하므로 단열 및 부식 방지 목적을 달성하므로 일부 문헌에서는 이 냉각 방법을 장벽 냉각이라고도 합니다.
필름 냉각의 노즐은 일반적으로 둥근 구멍 또는 둥근 구멍의 열이며 때로는 2차원 슬롯으로 만들어집니다. 실제 냉각 구조에서는 일반적으로 노즐과 냉각되는 표면 사이에 일정한 각도가 있습니다.
1990년대 원통형 구멍에 대한 다수의 연구에 따르면 송풍 비율(제트의 밀도가 높은 흐름과 주류 흐름의 비율)이 단일 열의 원통형 구멍의 단열 필름 냉각 효과에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 차가운 공기 제트가 주류 고온 가스 영역에 들어간 후 신장 모양의 소용돌이 쌍이라고도 알려진 한 쌍의 정방향 및 역방향 회전 소용돌이 쌍을 형성합니다. 부는 공기가 상대적으로 높을 때 전방 와류 외에 유출도 역회전 와류를 형성합니다. 이 역 와류는 주류의 고온 가스를 포획하여 블레이드 통로의 후미로 가져오므로 필름 냉각 효과가 감소합니다.
