Δομή τουρμπίνας αξονικής ροής
Ο στρόβιλος είναι μια περιστροφική μηχανή ισχύος που μετατρέπει την ενθαλπία ενός λειτουργικού ρευστού σε μηχανική ενέργεια. Είναι ένα από τα κύρια συστατικά των κινητήρων αεροσκαφών, των αεριοστροβίλων και των ατμοστρόβιλων. Η μετατροπή ενέργειας μεταξύ στροβίλων και συμπιεστών και η ροή αέρα είναι αντίθετη στη διαδικασία. Ο συμπιεστής καταναλώνει μηχανική ενέργεια όταν λειτουργεί, και η ροή αέρα κερδίζει μηχανική ενέργεια όταν ρέει μέσα από τον συμπιεστή και η πίεση και η ενθαλπία αυξάνονται. Όταν ο στρόβιλος λειτουργεί, το έργο του άξονα εξέρχεται από τον άξονα του στροβίλου. Μέρος της εργασίας του άξονα χρησιμοποιείται για να ξεπεραστεί η τριβή στα ρουλεμάν και να κινηθούν τα εξαρτήματα, και το υπόλοιπο απορροφάται από τον συμπιεστή.
Μόνο οι τουρμπίνες αξονικής ροής συζητούνται εδώ. Ο στρόβιλος σε έναν κινητήρα αεριοστροβίλου αποτελείται συνήθως από πολλαπλά στάδια, αλλά ο στάτορας (δακτύλιος ακροφυσίου ή οδηγός) βρίσκεται μπροστά από την περιστρεφόμενη πτερωτή. Το κανάλι πτερυγίων της βαθμίδας του στοιχείου του στροβίλου είναι συγκλίνον και το αέριο υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης από τον θάλαμο καύσης διαστέλλεται και επιταχύνεται σε αυτό, ενώ ο στρόβιλος παράγει μηχανικό έργο.
Χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας της εξωτερικής επιφάνειας του πτερυγίου του στροβίλου
Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταξύ του αερίου και της επιφάνειας της λεπίδας υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο ψύξης Newton.
Για την επιφάνεια πίεσης και την επιφάνεια αναρρόφησης, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι ο υψηλότερος στο μπροστινό άκρο της λεπίδας. Καθώς το στρωτό οριακό στρώμα παχαίνει σταδιακά, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μειώνεται σταδιακά. στο σημείο μετάβασης, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας αυξάνεται ξαφνικά. μετά τη μετάβαση στο τυρβώδες οριακό στρώμα, καθώς το παχύρρευστο κάτω στρώμα σταδιακά πυκνώνει, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μειώνεται σταδιακά. Για την επιφάνεια αναρρόφησης, ο διαχωρισμός ροής που μπορεί να συμβεί στο πίσω τμήμα θα προκαλέσει ελαφρά αύξηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας.
Ψύξη κρουσμάτων
Η ψύξη πρόσκρουσης είναι η χρήση ενός ή περισσότερων πίδακες κρύου αέρα για την πρόσκρουση της θερμής επιφάνειας, σχηματίζοντας μια ισχυρή μεταφορά θερμότητας με συναγωγή στην περιοχή κρούσης. Το χαρακτηριστικό της ψύξης πρόσκρουσης είναι ότι υπάρχει υψηλός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας στην επιφάνεια του τοίχου της περιοχής στασιμότητας όπου επηρεάζει η ροή ψυχρού αέρα, επομένως αυτή η μέθοδος ψύξης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή εστιασμένης ψύξης στην επιφάνεια.
Η ψύξη πρόσκρουσης της εσωτερικής επιφάνειας του μπροστινού άκρου του πτερυγίου του στροβίλου είναι ψύξη πρόσκρουσης περιορισμένου χώρου και ο πίδακας (ροή ψυχρού αέρα) δεν μπορεί να αναμιχθεί ελεύθερα με τον περιβάλλοντα αέρα. Ακολουθεί η εισαγωγή της ψύξης πρόσκρουσης ενός στόχου επιπέδου μονής οπής, η οποία αποτελεί τη βάση για τη μελέτη της επίδρασης της ροής πρόσκρουσης και της μεταφοράς θερμότητας.
Η ροή ενός στόχου κάθετου επιπέδου πρόσκρουσης μιας οπής φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Ο στόχος του αεροπλάνου είναι αρκετά μεγάλος και δεν έχει περιστροφή και δεν υπάρχει άλλο υγρό εγκάρσιας ροής στην επιφάνεια. Όταν η απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου και της επιφάνειας στόχου δεν είναι πολύ κοντά, ένα τμήμα της εξόδου πίδακα μπορεί να θεωρηθεί ως ελεύθερο πίδακα, δηλαδή το τμήμα πυρήνα (Ⅰ) και το τμήμα βάσης (Ⅱ) στο σχήμα. Όταν ο πίδακας πλησιάζει την επιφάνεια του στόχου, η εξωτερική οριακή γραμμή του πίδακα αρχίζει να αλλάζει από ευθεία γραμμή σε καμπύλη και ο πίδακας εισέρχεται στη ζώνη στροφής (Ⅲ), που ονομάζεται επίσης ζώνη στασιμότητας. Στη ζώνη στασιμότητας, ο πίδακας ολοκληρώνει τη μετάβαση από ροή κάθετη προς την επιφάνεια στόχο σε ροή παράλληλη προς την επιφάνεια στόχο. Αφού ο πίδακας ολοκληρώσει μια στροφή 90 μοιρών, εισέρχεται στη ζώνη πίδακα τοίχου (IV) του επόμενου τμήματος. Στη ζώνη πίδακα τοίχου, το ρευστό ρέει παράλληλα με την επιφάνεια στόχο και το εξωτερικό του όριο παραμένει μια ευθεία γραμμή. Κοντά στον τοίχο υπάρχει ένα εξαιρετικά λεπτό στρωτό οριακό στρώμα. Το πίδακα μεταφέρει μεγάλη ποσότητα κρύου αέρα και η ταχύτητα άφιξης είναι πολύ υψηλή. Οι αναταράξεις στη ζώνη στασιμότητας είναι επίσης πολύ μεγάλες, επομένως ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας της ψύξης κρούσης είναι πολύ υψηλός.
Συναγωγή ψύξης
Ακτινικό άμεσο κανάλι ψύξης μέσα στη λεπίδα
Ο αέρας ψύξης ρέει απευθείας μέσω της εσωτερικής κοιλότητας του πτερυγίου οδήγησης στην ακτινική κατεύθυνση, απορροφώντας θερμότητα μέσω μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή για μείωση της θερμοκρασίας του σώματος της λεπίδας. Ωστόσο, υπό την προϋπόθεση ενός συγκεκριμένου όγκου αέρα ψύξης, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή αυτής της μεθόδου είναι χαμηλός και το αποτέλεσμα ψύξης είναι περιορισμένο.
(2) Πολλαπλά κανάλια ψύξης μέσα στη λεπίδα (σχέδιο πολλαπλών κοιλοτήτων)
Ο σχεδιασμός πολλαπλών κοιλοτήτων όχι μόνο αυξάνει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας μεταξύ του ψυχρού αέρα και της εσωτερικής επιφάνειας του πτερυγίου του στροβίλου, αλλά αυξάνει επίσης τη συνολική περιοχή ανταλλαγής θερμότητας, αυξάνει την εσωτερική ροή και το χρόνο ανταλλαγής θερμότητας και έχει υψηλό κρύο αέρα ποσοστό χρησιμοποίησης. Το αποτέλεσμα ψύξης μπορεί να βελτιωθεί κατανέμοντας εύλογα τη ροή ψυχρού αέρα. Φυσικά, ο σχεδιασμός πολλαπλών κοιλοτήτων έχει επίσης μειονεκτήματα. Λόγω της μεγάλης απόστασης κυκλοφορίας του αέρα ψύξης, της μικρής περιοχής κυκλοφορίας και των πολλαπλών περιστροφών της ροής αέρα, η αντίσταση ροής θα αυξηθεί. Αυτή η πολύπλοκη δομή αυξάνει επίσης τη δυσκολία της επεξεργασίας της διαδικασίας και κάνει το κόστος υψηλότερο.
(3)Η δομή ραβδώσεων ενισχύει τη μεταφορά θερμότητας και την ψύξη της στήλης αεροτομής
Κάθε νεύρωση στη δομή νευρώσεων δρα ως στοιχείο διαταραχής της ροής, προκαλώντας την αποκόλληση του ρευστού από το οριακό στρώμα και τη δημιουργία στροβιλισμών με διαφορετικές αντοχές και μεγέθη. Αυτές οι δίνες αλλάζουν τη δομή ροής του ρευστού και η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας ενισχύεται σημαντικά μέσω της αύξησης της ανατάραξης του ρευστού στην περιοχή κοντά στο τοίχωμα και της περιοδικής ανταλλαγής μάζας μεταξύ των μεγάλων στροβιλισμών και του κύριου ρεύματος.
Η ψύξη στήλης σπόιλερ είναι να έχει πολλαπλές σειρές κυλινδρικών νευρώσεων διατεταγμένων με συγκεκριμένο τρόπο μέσα στο εσωτερικό κανάλι ψύξης. Αυτές οι κυλινδρικές νευρώσεις όχι μόνο αυξάνουν την περιοχή ανταλλαγής θερμότητας, αλλά αυξάνουν επίσης την αμοιβαία ανάμειξη ψυχρού αέρα σε διαφορετικές περιοχές λόγω της διαταραχής της ροής, η οποία μπορεί να αυξήσει σημαντικά το φαινόμενο μεταφοράς θερμότητας.
Ψύξη φιλμ
Η ψύξη μεμβράνης αέρα είναι η εκτόξευση κρύου αέρα από τις οπές ή τα κενά στην καυτή επιφάνεια και ο σχηματισμός ενός στρώματος φιλμ κρύου αέρα στην καυτή επιφάνεια για να εμποδίσει τη θέρμανση του συμπαγούς τοιχώματος από το ζεστό αέριο. Δεδομένου ότι το φιλμ κρύου αέρα εμποδίζει την επαφή μεταξύ της κύριας ροής αέρα και της επιφάνειας εργασίας, επιτυγχάνει το σκοπό της θερμομόνωσης και της πρόληψης διάβρωσης, επομένως κάποια βιβλιογραφία αποκαλεί επίσης αυτή τη μέθοδο ψύξης ψύξη φραγμού.
Τα ακροφύσια ψύξης μεμβράνης είναι συνήθως στρογγυλές οπές ή σειρές στρογγυλών οπών και μερικές φορές γίνονται σε δισδιάστατες υποδοχές. Στις πραγματικές κατασκευές ψύξης, υπάρχει συνήθως μια συγκεκριμένη γωνία μεταξύ του ακροφυσίου και της επιφάνειας που ψύχεται.
Ένας μεγάλος αριθμός μελετών για κυλινδρικές οπές στη δεκαετία του 1990 έδειξε ότι ο λόγος εμφύσησης (ο λόγος της πυκνής ροής του πίδακα προς το κύριο ρεύμα) θα επηρεάσει σημαντικά το φαινόμενο ψύξης του αδιαβατικού φιλμ μιας μονής σειράς κυλινδρικών οπών. Αφού ο πίδακας ψυχρού αέρα εισέλθει στην κύρια περιοχή αερίου υψηλής θερμοκρασίας, θα σχηματίσει ένα ζεύγος περιστρεφόμενων ζευγών δίνης προς τα εμπρός και αντίστροφα, γνωστό και ως ζεύγος στροβιλισμού σε σχήμα νεφρού. Όταν ο αέρας που φυσάει είναι σχετικά υψηλός, εκτός από τις προς τα εμπρός στροβίλους, η εκροή θα σχηματίσει και αντίθετα περιστρεφόμενες δίνες. Αυτή η αντίστροφη δίνη θα εγκλωβίσει το αέριο υψηλής θερμοκρασίας στο κύριο ρεύμα και θα το φέρει στο πίσω άκρο της διόδου της λεπίδας, μειώνοντας έτσι το φαινόμενο ψύξης του φιλμ.
