CN106248724B - 一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，包括漩涡气泵、稳流罐、挂壁式温度控制柜、气体管式加热器、电磁调节阀、测试通道、红外光学镜片、红外热成像仪；其中，漩涡气泵的出口与稳流罐的入口相连，稳流罐的出口与气体管式加热器的气体腔入口相连，挂壁式温度控制柜与气体管式加热器的气体腔相连，气体管式加热器的气体腔出口通过电磁调节阀与测试通道入口相连，测试通道底面布置有球窝/球凸粗糙面，测试通道顶部开设有通孔，该通孔处安装有红外光学镜片，红外热成像仪设置于红外光学镜片上方，并与图像采集计算机相连。本发明使得透平叶片内部通道中的传热和流动特性可以更加便捷的测量。

Description

一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统

技术领域：

本发明涉及一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统。

背景技术：

透平叶片是燃气轮机的关键部件，为了保证叶片在高温下正常运行，常布置大量的冷却通道，而球窝/球凸作为一种高传热、低流阻的高效强化传热结构，被布置在通道内以进一步提高冷却性能。通过实验方法获得透平叶片冷却通道的传热性能是冷却通道设计研发的关键任务。因此，搭建叶片内部冷却通道实验台，实现通道内运行参数的控制和相关传热参数的测量，对于透平叶片内部冷却通道传热特性的研究具有重要意义。实际叶片尾缘部分的内部冷却通道往往较窄(具有较大宽高比)，且通道尺度较小，通道实验段的设计与加工较为困难，并且要在其中布置多排球窝/球凸结构，这对实验台的加工和测试提出了更高的要求。由于研究存在的上述困难，需要更好的实验方法来测试表面布置球窝/球凸冷却通道的传热特性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，用于对透平叶片尾缘内部冷却通道中多种传热过程进行实验，获取通道中球窝/球凸表面的瞬态温度场图像，并分析换算通道表面的局部传热系数。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，包括漩涡气泵、稳流罐、挂壁式温度控制柜、气体管式加热器、电磁调节阀、测试通道、红外光学镜片和红外热成像仪；其中，

漩涡气泵的出口与稳流罐的入口相连，稳流罐的出口与气体管式加热器的气体腔入口相连，挂壁式温度控制柜与气体管式加热器的气体腔相连，气体管式加热器的气体腔出口通过电磁调节阀与测试通道入口相连，测试通道底面布置有球窝/球凸粗糙面，测试通道顶部开设有通孔，该通孔处安装有红外光学镜片，红外热成像仪设置于红外光学镜片上方，并与图像采集计算机相连。

本发明进一步的改进在于，还包括气体流量计，其设置在漩涡气泵的出口与稳流罐的入口相连的管道上。

本发明进一步的改进在于，还包括热线风速仪，其用于测量测试通道中的热空气。

本发明进一步的改进在于，测试通道底面布置的球窝/球凸粗糙面能够自由拆卸装配。

本发明进一步的改进在于，测试通道上设置有抽吸通道。

本发明进一步的改进在于，红外光学镜片为带有防反射涂层的BaF红外玻璃。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明中，采用满足传热流动相似性、易加工、易测量且易拍摄的模化冷却通道，对球窝/球凸表面的流动传热进行了测量研究。漩涡气泵将空气送入实验系统，通过流量计控制气体流量，后接稳流罐以提供持续稳定的气流；采用气体管式加热器、挂壁式温度控制柜、电磁调节阀的配合取代了大功率加热网，使得空气更易产生实验所需的温度跃迁；测试段下表面的球窝/球凸为可自由拆卸装配的配合方式，使得可以方便更换测试表面，缩短实验时间，同时为了增加测试面在红外成像仪发射下的反射率，在测试面的表面均匀地喷涂了黑色的亚光漆，以更加配合红外热成像仪的温度成像；测试通道顶部的光学观察窗口为带有防反射涂层的BaF红外玻璃，该材料对热成像仪的透过性较好；改变气体管式加热器的控制方式，结合电加热膜的使用，可以在本实验系统中进行瞬态、稳态两种不同的传热实验，同时获得传热分布和平均传热系数两种参数；红外热成像仪透过红外光学镜片对球窝/球凸粗糙表面的瞬态温度分布云图进行拍摄，并通过计算机进行处理和输出；获得了传热结果后，可以通过进一步的相似性变换换算至实际尺度下的传热结果。

由上述内容可知，本发明建立了一种表面布置球窝/球凸结构的透平叶片内部通道模化实验台，该实验通道的大小满足传热流动相似性，可以通过换算实现冷却通道尺度的扩大，测试段下表面上球窝/球凸粗糙面的可拆卸装配方式使得实验中可以便捷的更换测试表面，有效缩短了实验时间，同时测试段的可更换性使其具备了进行瞬态、稳态两种传热实验的功能，将获得的传热结果通过进一步的相似性变换可以等效至实际尺度下的传热结果，该实验台使得透平叶片内部通道中的传热和流动特性可以更加便捷的测量。

附图说明：

图1是实验系统整体示意图；

图2是球窝球凸测试面示意图；

图3是瞬态实验温度跃迁装置示意图；

图4是可拆卸测试段示意图。

图中：1为漩涡气泵，2为气体流量计，3为稳流罐，4为挂壁式温度控制柜，5为气体管式加热器，6为电磁调节阀，7为测试通道，8为球窝/球凸粗糙面，9为红外光学镜片，10为红外热成像仪，11为图像采集计算机，12为测试段连接方式。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1和图2，本发明提出一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，包括测试通道之前的稳流加热段、主流测试段以及瞬态红外图像采集处理系统。

参照图1和图2，首先对主流测试段进行说明。测试段的加工材料采用20mm厚度的有机玻璃，采用该材料制作通道测试段主要是为了满足瞬态传热分析方法中的半无限大物体的瞬态导热假设，同时其透明性使得通道的可视性更佳。测试通道7入口通过方形透明管道与稳流罐3相连，出口为大气环境。球窝/球凸粗糙面8则布置在测试通道7下表面，实验中设计为可自由拆卸装配的配合方式，使得可以自由更换测试表面，以方便进行不同球窝/球凸布置方式的研究，球窝/球凸粗糙面8也采用有机玻璃制成，同时为了增加测试表面在红外成像仪10发射下的反射率，在测试表面均匀地喷涂了黑色的亚光漆，以更加配合红外热成像仪10的瞬态温度成像。测试通道上表面为带有防反射涂层的BaF红外玻璃9，该材料对本红外热成像仪10的透过性较好。

参照图1，测试通道之前的稳流加热段包括漩涡气泵1、气体流量计2、稳流罐3、气体管式加热器5、挂壁式温度控制柜4、电磁调节阀6以及连接通道组成。漩涡气泵1将空气通入管道，通过气体流量计2按照预设的雷诺数控制其流量，由于漩涡气泵1通入的气体不稳定，需要将其通入稳流罐3并布置滤网层以使气体均匀稳定流动。稳定的气流随后进入气体管式加热器中升温，通过布置相应的电磁调节阀6使得经过气体管式加热器5和电磁调节阀6后产生瞬态红外传热实验所需要的温度跃迁，采用挂壁式温度控制柜4来控制温度，最终具有设定温度的稳定流动的空气通过方形透明管道进入测试通道7中在球窝/球凸粗糙面8进行传热，其中热空气的测量采用热线风速仪。

参照图1，瞬态红外图像采集处理系统由红外光学镜片9、红外热成像仪10和图像采集计算机11组成。红外热成像仪10为Flir公司的FLIR SC-620,640×480pixel²，其工作时发射红外波长为7.5～13μm。红外光学镜片9布置在测试通道的上表面，红外热成像仪10在测试通道上方并对准红外光学镜片9。红外光学镜片9采用带有防反射涂层的BaF材料，该材料的光学玻璃对本热成像仪的透过性较好。此外，为了增加球窝/球凸粗糙面8在红外热成像仪10发射下的反射率，在球窝/球凸粗糙面8的表面均匀地喷涂了黑色的亚光漆，以更加配合红外热成像仪10的温度成像。红外热成像仪10与图像采集计算机11的后处理软件ThermaCAM Researcher相连，对拍摄的红外温度云图数据进行记录和处理。

参照图2，球窝/球凸粗糙面8布置在测试通道下表面，实验中设计为可自由拆卸装配的配合方式，方便更换球窝球凸板，可以有效缩短实验时间。

参照图3，挂壁式温度控制柜4与气体管式加热器5连接以控制加热后的气体温度，电磁调节阀6与测试段连接以控制与测试段的连通状态。在进行瞬态实验时，首先使测试段达到传热稳定状态，然后调节温度控制柜4至实验所需气体温度，气体管式加热器5以大功率状态运行，同时电磁调节阀6切换至与大气连通，短暂的加热后气体温度迅速达到实验设定温度，这时电磁调节阀6再切换至与测试段连通，从而实现气体温度的跃迁。在进行稳态实验时，直接打开气体管式加热器5使通道内主流温度达到需求的主流温度，在测试段中布置电加热膜，直接通入测试通道，长时间的稳定运行使得测试段物体温度恒定完成稳态传热实验。通过变换温度控制装置的功率，可以实现瞬态传热和稳态传热两种状态下的测试，同时获得传热分布和平均传热系数两种参数，即该实验系统具有完成两个不同传热实验的功能。

参照图4，瞬态7、稳态13实验段的加工材料、加工类型和结构都不同，属于不同的传热实验，在本实验台通过可拆卸的测试段连接方式12，可以迅速更换测试段，从而实现“一台两用”的功能，即同一个实验台可以进行瞬态、稳态两种类型的实验。

通过实验，对叶片内部通道中的球窝/球凸表面的瞬态温度进行了观测，实现了叶片内部通道传热的模化研究及球窝/球凸粗糙表面瞬态温度场的可视化。通过更换测试表面，可以很方便地研究不同球窝/球凸布置方式对传热的影响；通过改变气流阀门及管式加热器设定温度，对气流参数的影响进行了研究；通过变换加热器及控制柜的运行方式及测试段布置方式，可以进行瞬态、稳态两种传热实验。通过对瞬态温度云图的采集和处理，获得了叶片内部通道中球窝/球凸面的传热分布和平均传热系数，进一步获得其传热规律。按照相似性原理，两个同类物理现象相似的充要条件是同名的已定特征数相等以及单值性条件相似，本实验台按照一定比例将实际叶片内部冷却通道放大，为了保证其传热相似性，必须使得Re与Pr以及边界条件与实际叶片通道相同，实验得到的Nu则是相同的，即通过Nu建立实验模型和实际模型之间的联系。该实验为布置球窝/球凸的叶片内部冷却通道传热特性实验研究提供了理论基础和参考依据。

因此可以通过换算实现冷却通道尺度的扩大，并且实验台易加工，通道内的各种参数易测量，球窝/球凸表面的温度分布云图易拍摄。

考虑尾缘抽吸作用，测试通道还包含额外的抽吸通道。红外光学镜片(9)为带有防反射涂层的BaF红外玻璃，该材料的光学玻璃对热成像仪的透过性较好。

Claims (4)

1.一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，其特征在于，包括漩涡气泵(1)、稳流罐(3)、挂壁式温度控制柜(4)、气体管式加热器(5)、电磁调节阀(6)、测试通道(7)、红外光学镜片(9)和红外热成像仪(10)；其中，

漩涡气泵(1)的出口与稳流罐(3)的入口相连，稳流罐(3)的出口与气体管式加热器(5)的气体腔入口相连，挂壁式温度控制柜(4)与气体管式加热器(5)的气体腔相连，气体管式加热器(5)的气体腔出口通过电磁调节阀(6)与测试通道(7)入口相连，测试通道(7)底面布置有球窝/球凸粗糙面(8)，测试通道(7)顶部开设有通孔，该通孔处安装有红外光学镜片(9)，红外热成像仪(10)设置于红外光学镜片(9)上方，并与图像采集计算机(11)相连；

通过可拆卸的测试段连接方式(12)，能够迅速更换测试段，进行瞬态、稳态两种类型的实验；

测试通道(7)底面布置的球窝/球凸粗糙面(8)能够自由拆卸装配；此外，测试通道(7)上设置有抽吸通道，以模拟真实透平叶片尾缘冷却通道的侧向抽气孔。

2.根据权利要求1所述的一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，其特征在于，还包括气体流量计(2)，其设置在漩涡气泵(1)的出口与稳流罐(3)的入口相连的管道上。

3.根据权利要求1所述的一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，其特征在于，还包括热线风速仪，其用于测量测试通道(7)中的热空气。

4.根据权利要求1所述的一种带有球窝/球凸结构的透平叶片冷却通道传热实验系统，其特征在于，红外光学镜片(9)为带有防反射涂层的BaF红外玻璃。