מבנה טורבינת זרימה צירית
טורבינה היא מכונת כוח סיבובית הממירה את האנטלפיה של נוזל עבודה לאנרגיה מכנית. זהו אחד המרכיבים העיקריים של מנועי מטוסים, טורבינות גז וטורבינות קיטור. המרת האנרגיה בין טורבינות ומדחסים וזרימת אוויר הפוכה בהליך. המדחס צורך אנרגיה מכנית כאשר הוא פועל, וזרימת האוויר צוברת אנרגיה מכנית כאשר היא זורמת דרך המדחס, והלחץ והאנטלפיה עולים. כאשר הטורבינה פועלת, עבודת הפיר מופקת מציר הטורבינה. חלק מעבודת הפיר משמש כדי להתגבר על החיכוך על המסבים ולהניע את האביזרים, והשאר נספג על ידי המדחס.
רק טורבינות זרימה צירית נדונות כאן. הטורבינה במנוע טורבינת גז מורכבת בדרך כלל ממספר שלבים, אך הסטטור (טבעת זרבובית או מנחה) ממוקם מול האימפלר המסתובב. תעלת הלהב של שלב אלמנט הטורבינה מתכנסת, והגז בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה מתא הבעירה מתרחב ומאיץ בו, בעוד שהטורבינה מפיקה עבודה מכנית.
מאפייני העברת חום של פני השטח החיצוניים של להב הטורבינה
מקדם העברת החום ההסעה בין הגז למשטח הלהב מחושב באמצעות נוסחת הקירור של ניוטון.
עבור משטח הלחץ ומשטח היניקה, מקדם העברת החום ההסעה הוא הגבוה ביותר בקצה המוביל של הלהב. כאשר שכבת הגבול הלמינרית מתעבה בהדרגה, מקדם העברת החום ההסעה יורד בהדרגה; בנקודת המעבר, מקדם העברת החום ההסעה גדל לפתע; לאחר המעבר לשכבת הגבול הסוערת, כאשר השכבה התחתונה הצמיגה מתעבה בהדרגה, מקדם העברת החום ההסעה יורד בהדרגה. עבור משטח היניקה, הפרדת הזרימה שעלולה להתרחש בחלק האחורי תגרום לעלייה קלה של מקדם העברת החום ההסעה.
הלם קירור
קירור פגיעה הוא שימוש בסילוני אוויר קר אחד או יותר כדי לפגוע במשטח החם, וליצור העברת חום חזקה בהסעה באזור הפגיעה. המאפיין של קירור פגיעה הוא שיש מקדם העברת חום גבוה על פני הקיר של אזור הקיפאון שבו פוגעת זרימת האוויר הקר, כך שניתן להשתמש בשיטת קירור זו כדי להחיל קירור ממוקד על פני השטח.
קירור הפגיעה של המשטח הפנימי של הקצה המוביל של להב הטורבינה הוא קירור פגיעה בחלל מוגבל, והסילון (זרימת אוויר קר) אינו יכול להתערבב בחופשיות עם האוויר שמסביב. להלן מוצגת קירור הפגיעה של מטרה מישורית חד-חור, שהיא הבסיס לחקר ההשפעה של זרימת פגיעה והעברת חום.
הזרימה של מטרת מטוס פגיעה אנכית עם חור בודד מוצגת באיור שלמעלה. מטרת המטוס גדולה מספיק ואין לה סיבוב, ואין נוזל זרימה צולבת אחר על פני השטח. כאשר המרחק בין הזרבובית למשטח המטרה אינו קרוב מאוד, ניתן להתייחס לקטע של יציאת הסילון כסילון חופשי, כלומר קטע הליבה (Ⅰ) וקטע הבסיס (Ⅱ) באיור. כאשר הסילון מתקרב למשטח המטרה, קו הגבול החיצוני של הסילון מתחיל להשתנות מקו ישר לעיקול, והסילון נכנס לאזור הפנייה (Ⅲ), הנקרא גם אזור הקיפאון. באזור הקיפאון, הסילון משלים את המעבר מזרימה בניצב למשטח המטרה לזרימה מקבילה למשטח המטרה. לאחר שהסילון משלים סיבוב של 90 מעלות, הוא נכנס לאזור סילון הקיר (IV) של הקטע הבא. באזור סילון הקיר, הנוזל זורם במקביל למשטח המטרה, והגבול החיצוני שלו נשאר קו ישר. ליד הקיר שכבת גבול למינרית דקה במיוחד. הסילון נושא כמות גדולה של אוויר קר, ומהירות ההגעה גבוהה מאוד. גם המערבולת באזור הקיפאון גדולה מאוד, ולכן מקדם העברת החום של קירור ההשפעה גבוה מאוד.
קירור הסעה
תעלת קירור ישירה רדיאלית בתוך הלהב
אוויר הקירור זורם ישירות דרך החלל הפנימי של שבשבת המנחה בכיוון הרדיאלי, סופג חום באמצעות העברת חום בהסעה כדי להפחית את הטמפרטורה של גוף הלהב. עם זאת, בתנאי של נפח אוויר קירור מסוים, מקדם העברת חום ההסעה של שיטה זו נמוך והשפעת הקירור מוגבלת.
(2) ערוצי קירור מרובים בתוך הלהב (עיצוב מרובה חללים)
העיצוב הרב-חלל לא רק מגדיל את מקדם העברת החום ההסעה בין האוויר הקר למשטח הפנימי של להב הטורבינה, אלא גם מגדיל את שטח חילופי החום הכולל, מגדיל את הזרימה הפנימית וזמן חילופי החום, ויש לו אוויר קר גבוה. שיעור ניצול. ניתן לשפר את אפקט הקירור על ידי פיזור סביר של זרימת האוויר הקר. כמובן שלעיצוב רב חלל יש גם חסרונות. בשל מרחק סירקולציית אוויר הקירור הארוך, שטח סירקולציה קטן וסיבובים מרובים של זרימת האוויר, התנגדות הזרימה תגדל. המבנה המורכב הזה גם מגביר את הקושי בעיבוד התהליך ומגדיל את העלות.
(3)מבנה הצלעות משפר את העברת חום הסעה וקירור עמודת ספוילר
כל צלע במבנה הצלעות פועלת כאלמנט מפריע לזרימה, הגורם לנוזל להתנתק משכבת הגבול וליצור מערבולות בעלות עוצמות וגדלים שונים. מערבולות אלו משנות את מבנה הזרימה של הנוזל, ותהליך העברת החום מוגבר באופן משמעותי באמצעות הגברת מערבולת הנוזל באזור הקיר הקרוב וחילופי המסה התקופתיים בין המערבולות הגדולות למיינסטרים.
קירור עמודת ספויילר הוא שיהיו מספר שורות של צלעות גליליות מסודרות בצורה מסוימת בתוך תעלת הקירור הפנימית. צלעות גליליות אלו לא רק מגדילות את שטח חילופי החום, אלא גם מגדילות את הערבוב ההדדי של אוויר קר באזורים שונים עקב הפרעה בזרימה, מה שיכול להגביר באופן משמעותי את אפקט העברת החום.
קירור סרטים
קירור סרט אוויר הוא לנשוף אוויר קר מהחורים או הרווחים על המשטח החם וליצור שכבה של סרט אוויר קר על המשטח החם כדי לחסום את חימום הקיר המוצק על ידי הגז החם. מכיוון שסרט האוויר הקר חוסם את המגע בין זרימת האוויר הראשית למשטח העבודה, הוא משיג את המטרה של בידוד חום ומניעת קורוזיה, כך שחלק מהספרות מכנה גם שיטת קירור זו קירור מחסום.
חרירי קירור הסרט הם בדרך כלל חורים עגולים או שורות של חורים עגולים, ולפעמים הם עשויים לחריצים דו מימדיים. במבני קירור בפועל, יש בדרך כלל זווית מסוימת בין הזרבובית למשטח המקורר.
מספר רב של מחקרים על חורים גליליים בשנות ה-90 הראו שיחס הנפיחות (היחס בין הזרימה הצפופה של הסילון למיינסטרים) ישפיע באופן משמעותי על אפקט קירור הסרט האדיאבטי של שורה אחת של חורים גליליים. לאחר שסילון האוויר הקר ייכנס לאזור הגז המרכזי בטמפרטורה גבוהה, הוא יצור זוג זוגות מערבולת מסתובבים קדימה ואחורה, הידועים גם כזוג מערבולת בצורת כליה. כאשר האוויר הנושב גבוה יחסית, בנוסף למערבולות קדימה, היציאה תיצור גם מערבולות מסתובבות נגדיות. מערבולת הפוכה זו תלכוד את הגז בטמפרטורות גבוהות במיינסטרים ותביא אותו לקצה האחורי של מעבר הלהב, ובכך תפחית את אפקט קירור הסרט.
