軸流タービンの構造
タービンは、作動流体のエンタルピーを機械エネルギーに変換する回転動力機械です。航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービンの主要部品の1つです。タービンとコンプレッサーと空気の流れの間のエネルギー変換は逆の手順で行われます。コンプレッサーは動作中に機械エネルギーを消費し、空気流がコンプレッサーを通過するときに機械エネルギーを獲得し、圧力とエンタルピーが増加します。タービンが作動すると、タービンシャフトから軸仕事が出力されます。シャフトの働きの一部はベアリングの摩擦を克服して付属品を駆動するために使用され、残りはコンプレッサーによって吸収されます。
ここでは軸流タービンのみについて説明します。ガスタービンエンジンのタービンは通常多段で構成されていますが、回転するインペラの前にステーター（ノズルリングまたはガイド）が配置されています。タービン要素段のブレード チャネルは収束しており、燃焼室からの高温高圧のガスがその中で膨張して加速し、タービンが機械的仕事を出力します。
タービンブレード外面の熱伝達特性
ガスとブレード表面の間の対流熱伝達係数は、ニュートン冷却公式を使用して計算されます。
正圧面と負圧面では、ブレードの前縁で対流熱伝達係数が最も高くなります。層流境界層が徐々に厚くなるにつれて、対流熱伝達係数は徐々に減少します。転移点では、対流熱伝達係数が突然増加します。乱流境界層への移行後、粘性のある底層が徐々に厚くなるにつれて、対流熱伝達係数は徐々に減少します。負圧面の場合、後部セクションで発生する可能性のある流れの剥離により、対流熱伝達係数がわずかに増加します。
衝撃冷却
インピンジメント冷却では、1 つまたは複数の冷気ジェットを使用して高温の表面に衝突し、衝突領域に強力な対流熱伝達を形成します。インピンジメント冷却の特徴は、冷気流が衝突するよどみ領域の壁面の熱伝達率が高いため、表面を集中的に冷却することができる冷却方法です。
タービンブレードの前縁内面のインピンジメント冷却は限られたスペースのインピンジメント冷却であり、ジェット（冷気流）は周囲の空気と自由に混合できません。以下では、衝突流と熱伝達の影響を研究するための基礎となる、単穴平面ターゲットの衝突冷却について紹介します。
単一穴の垂直衝突面ターゲットの流れを上の図に示します。平面ターゲットは十分な大きさで回転がなく、表面には他のクロスフロー流体がありません。ノズルと対象面との距離がそれほど近くない場合、ジェット出口の一部、すなわち図のコア部（Ⅰ）とベース部（Ⅱ）がフリージェットとみなすことができます。ジェットが目標面に近づくと、ジェットの外側の境界線が直線から曲線に変わり始め、ジェットはよどみゾーンとも呼ばれる旋回ゾーン(Ⅲ)に入ります。よどみゾーンでは、ジェットはターゲット表面に垂直な流れからターゲット表面に平行な流れへの移行を完了します。ジェットが 90 度の回転を完了すると、次のセクションのウォール ジェット ゾーン (IV) に入ります。ウォールジェットゾーンでは、流体はターゲット表面と平行に流れ、その外側の境界は直線のままです。壁の近くには、非常に薄い層状の境界層があります。ジェット機は大量の冷気を運び、到達速度が非常に速い。よどみゾーンの乱流も非常に大きいため、衝撃冷却の熱伝達係数は非常に高くなります。
対流冷却
ブレード内のラジアル直接冷却チャネル
冷却空気はガイドベーンの内部空洞を半径方向に直接流れ、対流熱伝達によって熱を吸収し、ブレード本体の温度を低下させます。しかし、この方式は一定の冷却風量の条件下では対流熱伝達率が低く、冷却効果が限られます。
(2) ブレード内の複数の冷却チャネル (マルチキャビティ設計)
マルチキャビティ設計は、冷気とタービンブレードの内面との間の対流熱伝達係数を増加させるだけでなく、総熱交換面積を増加させ、内部流量と熱交換時間を増加させ、高い冷気をもたらします。使用率。冷気の流れを合理的に分散させることで冷却効果を高めることができます。もちろん、マルチキャビティ設計には欠点もあります。冷却風の循環距離が長く、循環面積が小さく、気流が複数回転するため、流動抵抗が増加します。この複雑な構造により、加工の難易度も高まり、コストも高くなります。
(3）リブ構造により対流熱伝達とスポイラーコラムの冷却が向上
リブ構造の各リブは流れを乱す要素として機能し、流体を境界層から剥離させ、さまざまな強度とサイズの渦を形成します。これらの渦は流体の流れ構造を変化させ、壁近くの領域での流体の乱流の増加と大きな渦と主流の間の周期的な物質交換によって熱伝達プロセスが大幅に強化されます。
スポイラーコラムの冷却は、内部冷却チャネル内に複数列の円筒形リブを特定の方法で配置することです。これらの円筒状リブは熱交換面積を増やすだけでなく、流れの乱れにより異なる領域での冷気の相互混合を増加させ、伝熱効果を大幅に高めることができます。
フィルム冷却
気膜冷却とは、高温面の穴や隙間から冷風を吹き出し、高温面に冷気膜の層を形成し、高温ガスによる固体壁の加熱を遮断することです。冷気膜は主気流と作業面との接触を遮断し、断熱と腐食防止の目的を達成するため、文献によってはこの冷却方法をバリア冷却とも呼んでいます。
フィルム冷却のノズルは通常、丸い穴または丸い穴の列ですが、場合によっては 2 次元のスロットに作られます。実際の冷却構造では、通常、ノズルと冷却される表面の間に一定の角度があります。
1990 年代の円筒形穴に関する多数の研究では、吹き込み比 (主流に対するジェットの密な流れの比) が、単一列の円筒形穴の断熱膜冷却効果に大きく影響することが示されました。冷気ジェットが主流の高温ガス領域に入った後、腎臓形渦ペアとしても知られる、正逆回転する一対の渦ペアを形成します。吹き出す空気の量が比較的多い場合、順方向の渦に加えて、流出により逆回転の渦も形成されます。この逆渦は高温ガスを主流に閉じ込めてブレード通路の後縁に運び、それによってフィルム冷却効果を減少させます。
