CN101393071B - 涡轮叶片冷却过程可视化观测与瞬态测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片冷却过程可视化观测与瞬态测量方法，加热主流空气至预定温度，通入冷气流，该冷气流首先进入涡轮叶片内部的冷却通道对叶片进行冷却，然后再流出在涡轮叶片表面形成一层冷气膜，记录各测点的温度与压力并观测涡轮叶片附近主流与冷气流的混合与流动状况。实现上述方法的装置，其包括：一风洞，其一端连接一热风源，其另一端为排气口；该风洞内按叶片工作状态放置一涡轮叶片；一冷风源，通过风管连接至上述风洞中涡轮叶片的射流管，并在风管上设有颜料加入装置；该风洞两侧位于涡轮叶片处各开设一红外探测窗口，并分别在该红外探测窗口处设有红外热像仪；该风洞两侧位于涡轮叶片处各开设一可视化观察窗口，并分别在该可视化观察窗口处设有显微放大摄影装置。

Description

涡轮叶片冷却过程可视化观测与瞬态测量方法和装置
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机涡轮叶片微细尺度冷却过程的超常流动与传热可视化观测与瞬态测量方法。
本发明还涉及一种实现上述方法的装置。
背景技术
航空燃气轮机涡轮叶片结构复杂，且长期处在高温、高压、高转速的恶劣条件下工作，但又要求具有“高性能、高可靠性、低油耗、低成本、长寿命”的技术特点，使其研制难度大、投资多、周期长，涉及到机械、材料、电子、力学、声学、热学、能源、管理等诸多学科领域。
伴随着以提高航空涡轮进口燃气温度和压气机增压比来提高涡轮发动机推力和热效率的发展趋势，采用高效冷却技术和开发耐高温材料是实现涡轮叶片在高温恶劣燃气环境下安全、稳定、可靠工作的两大重要技术途径。由于涡轮进口燃气温度的递增速度远高于材料耐温程度的发展速度，涡轮叶片能在高于材料熔点的高温环境下可靠工作，主要得益于冷却技术的发展。航空涡轮叶片冷却主要是通过内流冷却和外部气膜冷却的共同作用来实现的，但以往的研究主要是把叶片外部气膜冷却与叶片内部冷却作为两个独立方面分别进行研究的，很少有将内流冷却和气膜冷却综合起来进行研究的报道。相对于传统传热与冷却技术来说，微细尺度条件下的传热与流动具有不同于常规尺度的特点，传热系数与冷却效果显著提高，微细尺度传热技术是当今国际传热学研究领域新的热点前沿之一。将微细尺度传热技术用于航空发动机涡轮叶片与燃烧室冷却，可在不改变现有冷却总体形式的基础上明显提高冷却效果，是一种先进高效冷却实用新技术，同时也是微细尺度传热技术应用领域的拓展与延伸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机涡轮叶片微细尺度冷却过程的超常流动与传热可视化观测与瞬态测量方法。
本发明的又一目的在于提供一种实现上述方法的装置。
为实现上述目的，本发明提供的可视化观测与瞬态测量方法，其步骤为：
加热主流空气至预定温度，通入带颜色的冷气流，该冷气流首先经射流孔进入涡轮叶片内部的冷却通道对叶片进行冷却，然后再经叶片壁面气膜孔流出在叶片表面形成一层冷气膜从而对叶片进行冷却与保护，采用温度与压力测量系统测量记录各测点的温度与压力并观测涡轮叶片附近主流与冷气流的混合与流动状况，以及涡轮叶片内部的内流冷却与外部气膜冷却过程与冷却效果的规律。
所述的涡轮叶片冷却过程可视化观测与瞬态测量方法，其中，主流空气和冷气流的流量、温度为可调节。
本发明提供的用于实现上述方法的装置，其包括：
一风洞，其一端连接一热风源，其另一端为排气口；
该风洞内按叶片工作状态放置一涡轮叶片；
一提供冷气流的冷风源，通过风管连接至上述风洞中涡轮叶片的射流管；
风管上安装一颜料加入装置向冷气流添加颜色，以观测叶片表面附近主流热空气与冷气流的混合与流动状况；
射流管上开有直径为0.06-0.3mm的射流孔，以对涡轮叶片内壁进行射流冲击冷却；
涡轮叶片壁面上开有直径为0.06-0.3mm的气膜孔，使冷气流经气膜孔流出后在涡轮叶片外表面形成一层冷气膜；
涡轮叶片内部设有温度传感器，以对其内部温度进行测量；
该风洞两侧位于涡轮叶片处各开设一红外探测窗口，并分别在该红外探测窗口处安装有红外热像仪，以测试涡轮叶片表面温度场分布情况；
该风洞两侧位于涡轮叶片处各开设一可视化观察窗口，并分别在该可视化观察窗口处安装有显微放大摄影装置，以对风洞内涡轮叶片附近主流热空气与冷气流的混合与流动状况进行可视化观测和拍摄；
显微放大摄影装置由带有高倍数显微放大镜的高速摄影仪与照明光源组成。
所述的装置，其中，热风源是由鼓风机通过加热器而产生的。
所述的装置，其中，冷风源是一空气压缩机。
所述的装置，其中，热风源和冷气流各由一调节阀控制其流量。
所述的装置，其中，红外热像仪与显微放大摄影系统均连接一计算机。
所述的装置，其中，可视化观察窗口由耐高温的光学玻璃制成。
所述的装置，其中，风洞和冷风源的风管内分别安装有流量计、压力传感器和温度传感器，并在涡轮叶片内部设有温度传感器。
所述的装置，其中，流量计、压力传感器和温度传感器均连接至计算机。
本发明可广泛用于高温叶片冷却及其他高温热端部件冷却过程的可视化观测与瞬态测量。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为图1的部分俯视图。
图3为颜料加入装置示意图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，为本发明的测试装置示意图。
本发明主要由鼓风机1，加热器2，风洞3，涡轮叶片4，红外探测窗口5，可视化观测窗口6，空气压缩机7，红外热像仪8，显微放大摄影装置9，温度、压力及流量测量与数据采集记录装置10，流量调节阀11与12，颜料加入装置13以及冷风管14组成。
其中，鼓风机1的流量为0-850m3/h可调节；加热器2为电加热，功率为0-3000W可调，通过调节加热器的功率可使主流热空气的温度在20-500℃范围内可调。
风洞3为由不锈钢制作的长3500mm，截面为100×100mm的长方体。该风洞3的一端连接一主流热空气，本实施例中采用的热空气是由一鼓风机1产生风源，再经加热器2加热至预定的温度。该风洞3的另一端为排气口。鼓风机1与加热器2之间设有一调节阀11，用于调节主流热空气的流量。
在风洞3的内部中间位置，放置一需要冷却和测量的涡轮叶片(也可以是该涡轮叶片的部分部件)4，该涡轮叶片4的前缘朝向主流热空气，该涡轮叶片4的射流管15通过冷风管14与风洞3外部设置的冷气流相连接，冷风管14上设有颜料加入装置13改变冷气流的颜色，射流管上设有直径为0.06-0.3mm的射流孔。颜料加入装置为一矩形小盒，盒底与四周壁面上设有很多微细孔，盒内装有粉末状的颜料，在管内冷风吹及管道的振动作用下颜料由小孔内流出与外部的冷气流混合成为带颜色的气流(请参阅图3)。
涡轮叶片4的壁面上设有直径为0.06-0.3mm的气膜孔，涡轮叶片附近位置处风洞3的两侧各分别开设一个红外窗口5和可视化观察窗口6。采用红外热像仪8通过红外窗口5对涡轮叶片4表面温度场分布进行测试；采用显微放大摄影装置9通过可视化观测窗口6对风道内涡轮叶片附近的流动状况进行可视化观测与拍摄。其中，红外探测窗口5为专用红外窗口，与红外热像仪8配合对风洞内涡轮叶片4的表面温度进行测量；可视化窗口6是由直径为60mm的耐高温光学玻璃组成，用于观察和拍摄涡轮叶片4附近主流热空气与冷气流的混合与流动状况。前述的红外热像仪8和显微放大摄影装置9连接至计算机。
前面所提到的冷气流是由空气压缩机7提供，用于对涡轮叶片4内部与外表面进行冷却，冷气流量为0-10m3/h可调节。调节阀12用于调节冷却气体的流量。
显微放大摄影装置9是由带有高倍数显微放大镜的高速摄影仪与照明光源组成，用于对冷却过程进行可视化观测与拍摄。
在主流热空气和冷风源的风管内均分别装有流量计Q、压力感器P和温度传感器T，与数据采集记录装置10相连；分别对涡轮叶片内表面不同位置的温度、主流热空气、叶片冷却通道入口冷气体温度、主流热空气压力与冷却气体压力、主流热空气与冷却气体的流量进行测量、显示与记录。
实际测量过程中，先打开鼓风机，再打开温度、压力及流量测量与记录显示装置，调节主流空气的流量至所需值，然后再打开加热器对主流空气进行加热。当主流空气加热到所需温度时，打开空气压缩机与颜料加入装置并调节冷气流量至所需值，带颜色的冷气流首先经射流孔进入涡轮叶片内部的冷却通道对叶片进行冷却，然后再经气膜孔流出在涡轮叶片表面形成一层冷气膜而对叶片外表面进行冷却与保护。当装置稳定后，采用温度、压力及流量测量与记录显示装置对各测点的温度与压力进行详细测量与记录；同时采用红外热像仪对涡轮叶片外表面的温度场进行测量，并采用高倍数显微放大摄影装置详细观测与拍摄涡轮叶片附近主流与冷气流的混合与流动状况。
在实际测量过程中，分别改变主流空气的流量与温度、冷气体的流量等参数，研究各因素对涡轮叶片内部的内流冷却与外部气膜冷却过程与冷却效果的影响规律。

Claims (9)

1.一种涡轮叶片冷却过程可视化观测与瞬态测量方法，其步骤为：
加热主流空气至预定温度，通入带颜色的冷气流，该冷气流首先经射流孔进入涡轮叶片内部的冷却通道对叶片进行冷却，然后再经叶片壁面气膜孔流出在叶片表面形成一层冷气膜从而对叶片进行冷却与保护，采用温度与压力测量系统测量记录各测点的温度与压力，采用流量计测量主流与冷气流的流量，并观测涡轮叶片附近主流与冷气流的混合与流动状况以及涡轮叶片内部的内流冷却与外部气膜冷却过程与冷却效果的规律。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片冷却过程可视化观测与瞬态测量方法，其中，主流空气和冷气流的流量、温度为可调节。
3.一种实现权利要求1所述方法的装置，其包括：
一风洞，其一端连接一热风源，其另一端为排气口；
该风洞内按叶片工作状态放置一涡轮叶片；
一提供冷气流的冷风源，通过风管连接至上述风洞中涡轮叶片的射流管；
风管上安装一颜料加入装置向冷气流添加颜色，以观测叶片表面附近主流热空气与冷气流的混合与流动状况；
射流管上开有直径为0.06-0.3mm的射流孔，以对涡轮叶片内壁进行射流冲击冷却；
涡轮叶片壁面上开有直径为0.06-0.3mm的气膜孔，使冷气流经气膜孔流出后在涡轮叶片外表面形成一层冷气膜；
涡轮叶片内部设有温度传感器，以对其内部温度进行测量；
该风洞两侧位于涡轮叶片处各开设一红外探测窗口，并分别在该红外探测窗口处安装有红外热像仪，以测试涡轮叶片表面温度场分布情况；
该风洞两侧位于涡轮叶片处各开设一可视化观察窗口，并分别在该可视化观察窗口处安装有显微放大摄影装置，以对风洞内涡轮叶片附近主流热空气与冷气流的混合与流动状况进行可视化观测和拍摄；
显微放大摄影装置由带有高倍数显微放大镜的高速摄影仪与照明光源组成。
4.如权利要求3所述的装置，其中，热风源是由鼓风机通过加热器而产生的。
5.如权利要求3所述的装置，其中，冷风源是一空气压缩机。
6.如权利要求3或4所述的装置，其中，热风源和冷气流各由一调节阀控制其流量。
7.如权利要求3所述的装置，其中，红外热像仪与显微放大摄影装置均连接一计算机。
8.如权利要求3所述的装置，其中，可视化观察窗口由耐高温的光学玻璃制成。
9.如权利要求3所述的装置，其中，风洞和冷风源的风管内分别安装有流量计、压力传感器和温度传感器，并在涡轮叶片内部设有温度传感器。
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Patentee before: Qingdao Zhongke Fanneng Technology Service Co., Ltd.

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Address after: 211135 building 7, block a, artificial intelligence Industrial Park, 266 Chuangyan Road, Qilin science and Technology Innovation Park, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province

Patentee after: Nanjing zhongkezhongneng Technology Co.,Ltd.

Address before: 266400 Binhai Avenue South, Shanchuan Road West, Huangdao District, Qingdao City, Shandong Province

Patentee before: Qingdao Zhongke Public Energy Investment Management Center (L.P.)

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Address after: 211135 sub building, building 7, area a, artificial intelligence Industrial Park, 266 Chuangyan Road, Qilin science and Technology Innovation Park, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province

Patentee after: Zhongkesido (Nanjing) energy storage technology Co.,Ltd.

Address before: 211135 sub building, building 7, area a, artificial intelligence Industrial Park, 266 Chuangyan Road, Qilin science and Technology Innovation Park, Jiangning District, Nanjing City, Jiangsu Province

Patentee before: Nanjing zhongkezhongneng Technology Co.,Ltd.

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