टर्बाइन मूल बातें - टर्बाइन और ब्लेड कूलिंग प्रौद्योगिकी

अक्षीय प्रवाह टरबाइन संरचना

टरबाइन एक रोटरी पावर मशीन है जो कार्यशील तरल पदार्थ की एन्थैल्पी को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है। यह विमान के इंजन, गैस टर्बाइन और भाप टर्बाइन के मुख्य घटकों में से एक है। टर्बाइन और कम्प्रेसर और वायु प्रवाह के बीच ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया में विपरीत है। जब कंप्रेसर चल रहा होता है तो वह यांत्रिक ऊर्जा की खपत करता है, और जब वायु प्रवाह कंप्रेसर से प्रवाहित होता है तो उसे यांत्रिक ऊर्जा प्राप्त होती है, और दबाव और एन्थैल्पी बढ़ जाती है। जब टरबाइन चल रहा होता है, तो शाफ्ट कार्य टरबाइन शाफ्ट से आउटपुट होता है। शाफ्ट के काम का एक हिस्सा बीयरिंग पर घर्षण को दूर करने और सहायक उपकरण को चलाने के लिए उपयोग किया जाता है, और बाकी कंप्रेसर द्वारा अवशोषित किया जाता है।

यहां केवल अक्षीय प्रवाह टर्बाइनों पर चर्चा की गई है। गैस टरबाइन इंजन में टरबाइन आमतौर पर कई चरणों से बना होता है, लेकिन स्टेटर (नोजल रिंग या गाइड) घूमने वाले प्ररित करनेवाला के सामने स्थित होता है। टरबाइन तत्व चरण का ब्लेड चैनल अभिसरण है, और दहन कक्ष से उच्च तापमान और उच्च दबाव वाली गैस इसमें फैलती है और तेज हो जाती है, जबकि टरबाइन यांत्रिक कार्य करता है।

टरबाइन ब्लेड की बाहरी सतह की ऊष्मा स्थानांतरण विशेषताएँ

गैस और ब्लेड सतह के बीच संवहन ताप अंतरण गुणांक की गणना न्यूटन शीतलन सूत्र का उपयोग करके की जाती है।

दबाव सतह और चूषण सतह के लिए, ब्लेड के अग्रणी किनारे पर संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक सबसे अधिक है। जैसे-जैसे लामिना सीमा परत धीरे-धीरे मोटी होती जाती है, संवहन ताप अंतरण गुणांक धीरे-धीरे कम होता जाता है; संक्रमण बिंदु पर, संवहनी ताप स्थानांतरण गुणांक अचानक बढ़ जाता है; अशांत सीमा परत में संक्रमण के बाद, जैसे-जैसे चिपचिपी निचली परत धीरे-धीरे मोटी होती जाती है, संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक धीरे-धीरे कम होता जाता है। सक्शन सतह के लिए, पिछले भाग में होने वाले प्रवाह पृथक्करण के कारण संवहन ताप अंतरण गुणांक थोड़ा बढ़ जाएगा।

शॉक कूलिंग

इंपिंगमेंट कूलिंग में गर्म सतह पर प्रभाव डालने के लिए एक या अधिक ठंडी हवा के जेट का उपयोग किया जाता है, जिससे प्रभाव क्षेत्र में एक मजबूत संवहन गर्मी हस्तांतरण होता है। इंपिंगमेंट कूलिंग की विशेषता यह है कि ठहराव क्षेत्र की दीवार की सतह पर जहां ठंडी हवा का प्रवाह प्रभावित होता है, वहां उच्च गर्मी हस्तांतरण गुणांक होता है, इसलिए इस शीतलन विधि का उपयोग सतह पर केंद्रित शीतलन लागू करने के लिए किया जा सकता है।

टरबाइन ब्लेड के अग्रणी किनारे की भीतरी सतह की इंपिंगमेंट कूलिंग एक सीमित स्थान इंपिंगमेंट कूलिंग है, और जेट (ठंडी हवा का प्रवाह) आसपास की हवा के साथ स्वतंत्र रूप से मिश्रण नहीं कर सकता है। निम्नलिखित एकल-छेद समतल लक्ष्य के इंपिंगमेंट कूलिंग का परिचय देता है, जो इंपिंगमेंट प्रवाह और गर्मी हस्तांतरण के प्रभाव का अध्ययन करने का आधार है।

एकल-छिद्र ऊर्ध्वाधर प्रभाव विमान लक्ष्य का प्रवाह उपरोक्त चित्र में दिखाया गया है। विमान का लक्ष्य काफी बड़ा है और इसमें कोई घूर्णन नहीं है, और सतह पर कोई अन्य क्रॉस-फ्लो तरल पदार्थ नहीं है। जब नोजल और लक्ष्य सतह के बीच की दूरी बहुत करीब नहीं होती है, तो जेट आउटलेट के एक खंड को एक मुक्त जेट माना जा सकता है, अर्थात् चित्र में कोर खंड (Ⅰ) और आधार खंड (Ⅱ)। जब जेट लक्ष्य सतह के पास पहुंचता है, तो जेट की बाहरी सीमा रेखा एक सीधी रेखा से वक्र में बदलने लगती है, और जेट मोड़ क्षेत्र (Ⅲ) में प्रवेश करता है, जिसे ठहराव क्षेत्र भी कहा जाता है। ठहराव क्षेत्र में, जेट लक्ष्य सतह के लंबवत प्रवाह से लक्ष्य सतह के समानांतर प्रवाह में संक्रमण पूरा करता है। जेट 90 डिग्री का मोड़ पूरा करने के बाद, अगले खंड के वॉल जेट ज़ोन (IV) में प्रवेश करता है। दीवार जेट क्षेत्र में, द्रव लक्ष्य सतह के समानांतर बहता है, और इसकी बाहरी सीमा एक सीधी रेखा बनी रहती है। दीवार के पास एक अत्यंत पतली लामिना सीमा परत है। जेट में बड़ी मात्रा में ठंडी हवा होती है और आगमन की गति बहुत तेज़ होती है। ठहराव क्षेत्र में अशांति भी बहुत बड़ी है, इसलिए प्रभाव शीतलन का गर्मी हस्तांतरण गुणांक बहुत अधिक है।

संवहन शीतलन

ब्लेड के अंदर रेडियल डायरेक्ट कूलिंग चैनल

ठंडी हवा रेडियल दिशा में गाइड वेन की आंतरिक गुहा के माध्यम से सीधे बहती है, ब्लेड बॉडी के तापमान को कम करने के लिए संवहन गर्मी हस्तांतरण के माध्यम से गर्मी को अवशोषित करती है। हालाँकि, एक निश्चित ठंडी हवा की मात्रा की स्थिति के तहत, इस विधि का संवहन गर्मी हस्तांतरण गुणांक कम है और शीतलन प्रभाव सीमित है।

(2) ब्लेड के अंदर कई कूलिंग चैनल (मल्टी-कैविटी डिज़ाइन)

मल्टी-कैविटी डिज़ाइन न केवल ठंडी हवा और टरबाइन ब्लेड की आंतरिक सतह के बीच संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक को बढ़ाता है, बल्कि कुल ताप विनिमय क्षेत्र को भी बढ़ाता है, आंतरिक प्रवाह और ताप विनिमय समय को बढ़ाता है, और उच्च ठंडी हवा होती है उपयोग दर. ठंडी हवा के प्रवाह को यथोचित रूप से वितरित करके शीतलन प्रभाव में सुधार किया जा सकता है। बेशक, मल्टी-कैविटी डिज़ाइन के नुकसान भी हैं। लंबी ठंडी हवा परिसंचरण दूरी, छोटे परिसंचरण क्षेत्र और वायु प्रवाह के कई मोड़ों के कारण, प्रवाह प्रतिरोध बढ़ जाएगा। यह जटिल संरचना प्रक्रिया प्रसंस्करण की कठिनाई को भी बढ़ाती है और लागत को अधिक बनाती है।

(3)रिब संरचना संवहनी ताप हस्तांतरण और स्पॉइलर कॉलम कूलिंग को बढ़ाती है

पसली संरचना में प्रत्येक पसली एक प्रवाह व्यवधान तत्व के रूप में कार्य करती है, जिससे तरल पदार्थ सीमा परत से अलग हो जाता है और विभिन्न शक्तियों और आकारों के साथ भंवर बनाता है। ये भंवर द्रव की प्रवाह संरचना को बदलते हैं, और निकट-दीवार क्षेत्र में द्रव अशांति में वृद्धि और बड़े भंवर और मुख्यधारा के बीच आवधिक द्रव्यमान विनिमय के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण प्रक्रिया में काफी वृद्धि होती है।

स्पॉइलर कॉलम कूलिंग में आंतरिक कूलिंग चैनल के अंदर एक निश्चित तरीके से व्यवस्थित बेलनाकार पसलियों की कई पंक्तियाँ होती हैं। ये बेलनाकार पसलियां न केवल ताप विनिमय क्षेत्र को बढ़ाती हैं, बल्कि प्रवाह में गड़बड़ी के कारण विभिन्न क्षेत्रों में ठंडी हवा के आपसी मिश्रण को भी बढ़ाती हैं, जिससे ताप हस्तांतरण प्रभाव में उल्लेखनीय वृद्धि हो सकती है।

फ़िल्म कूलिंग

एयर फिल्म कूलिंग में गर्म सतह पर छिद्रों या अंतरालों से ठंडी हवा को बाहर निकालना और गर्म गैस द्वारा ठोस दीवार के ताप को रोकने के लिए गर्म सतह पर ठंडी हवा की फिल्म की एक परत बनाना है। चूंकि ठंडी हवा की फिल्म मुख्य वायु प्रवाह और कामकाजी सतह के बीच संपर्क को अवरुद्ध करती है, यह गर्मी इन्सुलेशन और संक्षारण रोकथाम के उद्देश्य को प्राप्त करती है, इसलिए कुछ साहित्य इस शीतलन विधि को बैरियर कूलिंग भी कहते हैं।

फिल्म कूलिंग के नोजल आमतौर पर गोल छेद या गोल छेद की पंक्तियाँ होते हैं, और कभी-कभी इन्हें दो-आयामी स्लॉट में बनाया जाता है। वास्तविक शीतलन संरचनाओं में, आमतौर पर नोजल और ठंडा होने वाली सतह के बीच एक निश्चित कोण होता है।

1990 के दशक में बेलनाकार छिद्रों पर बड़ी संख्या में अध्ययनों से पता चला कि ब्लोइंग अनुपात (जेट के घने प्रवाह और मुख्यधारा का अनुपात) बेलनाकार छिद्रों की एक पंक्ति के रुद्धोष्म फिल्म शीतलन प्रभाव को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करेगा। ठंडी हवा का जेट मुख्यधारा के उच्च तापमान वाले गैस क्षेत्र में प्रवेश करने के बाद, यह आगे और पीछे घूमने वाले भंवर जोड़े की एक जोड़ी बनाएगा, जिसे गुर्दे के आकार के भंवर जोड़े के रूप में भी जाना जाता है। जब बहने वाली हवा अपेक्षाकृत अधिक होती है, तो आगे के भंवरों के अलावा, बहिर्वाह भी प्रति-घूर्णन भंवरों का निर्माण करेगा। यह रिवर्स भंवर उच्च तापमान वाली गैस को मुख्यधारा में फंसा देगा और इसे ब्लेड मार्ग के अनुगामी किनारे पर लाएगा, जिससे फिल्म शीतलन प्रभाव कम हो जाएगा।