CN108613814B - 一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，包括高温主流通路、U型冷却通路、实验测试段和数据采集分析系统；其中，高温主流通路包括温度控制盒以及依次连通的主流气泵、主流气体稳流罐、主流气体加热器和主流三通电磁阀；U型冷却通路包括冷流出口真空泵以及依次连通的冷流进口气泵、冷却气体稳流罐、冷却气体加热器和冷流进口三通电磁阀；实验测试段包括U型冷却通道、高温主流通道和中心开设通孔的叶顶板，通孔中镶嵌有嵌入板；数据采集分析系统包括冷却通道红外热像仪、主流通道红外热像仪、CCD相机以及与三者均连接的数据采集分析计算机；主流三通电磁阀、冷流进口三通电磁阀的出口分别连通至高温主流通道、U型冷却通道的入口。

Description

一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统

技术领域

本发明属于燃气轮机透平叶片冷却技术领域，特别涉及一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统。

背景技术

燃气轮机是能源与动力领域的高端工业装备，其技术难度大、组件数量多、工艺要求高、涉及领域广、全球需求巨大，是一个国家工业实力、科技水平和综合国力的集中体现。随着透平进口处燃气温度的不断提升，叶片在实际运行中承受着很高的热负荷，甚至远远超出了叶片材料的许可温度，因此叶片高效冷却技术的开发成为燃机发展中的重要课题。

叶片顶部是一个较为特殊的区域，其结构复杂多变，且外部流动区域受缸体的限制而较为狭小，因此往往呈现出复杂的流动与传热特性，并且叶顶区域较小，冷却结构很难布置，在实际运行中往往是热承载的薄弱区域，其冷却结构设计是叶片整体冷却设计中极为关键的一环。相比于理论和数值方法，学者们更热衷于开展实验研究，由于其综合了各种因素，在大多数情况下更接近于实际状态，因此结果的可信度较高。

叶顶的冷却方式主要包括内部强制对流冷却和外部气膜冷却，并且这两种冷却方式往往被同时采用，其中气膜孔的设置连接了内外冷却，使其相互作用并共同影响着叶顶冷却效果。目前的叶顶冷却实验研究中，内外冷却的研究都是独立进行的，且外部气膜冷却的研究内容较为单一，而从叶顶冷却的宏观角度来看，内外冷却是相互影响，共同作用的，内表面的强化传热结构必定会影响外部气膜流动结构，而气膜孔的设置也同样决定了内表面的流动、传热分布，两者的独立研究结果可能与实际情况有较大的偏离，因此需要一种叶顶内外耦合冷却实验系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，用于研究叶顶冷却中的两个重要内容：一、内部冷却与外部气膜冷却的相互影响机制；二、内部冷却与外部气膜冷却的耦合冷却效应。通过对流场和温度场数据的采集与分析，获取其内在规律和机理。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，包括高温主流通路、U型冷却通路、实验测试段和数据采集分析系统；其中，

高温主流通路包括温度控制盒以及依次连通的主流气泵、主流气体稳流罐、主流气体加热器和主流三通电磁阀；

U型冷却通路包括冷流出口真空泵以及依次连通的冷流进口气泵、冷却气体稳流罐、冷却气体加热器和冷流进口三通电磁阀；

实验测试段包括U型冷却通道、高温主流通道以及设置在两者之间的叶顶板，其中，叶顶板的中心开设有通孔，该通孔处镶嵌有嵌入板，嵌入板上布置有球窝/球凸结构和气膜孔；

数据采集分析系统包括用于观察U型冷却通道的冷却通道红外热像仪，用于观察高温主流通道的主流通道红外热像仪，设置在叶顶板上方的CCD相机，以及与冷却通道红外热像仪、主流通道红外热像仪和CCD相机均连接的数据采集分析计算机；

温度控制盒用于分别控制主流气体加热器和冷却气体加热器；主流三通电磁阀的出口连通至高温主流通道的入口；冷流进口三通电磁阀的出口连通至U型冷却通道的入口，U型冷却通道的出口连通至冷流出口真空泵的入口。

本发明进一步的改进在于，高温主流通路还包括连通在主流气体稳流罐和主流气体加热器之间的主流气体流量计。

本发明进一步的改进在于，高温主流通路还包括连通在主流三通电磁阀的出口与高温主流通道的入口之间的主流气体压力表和主流气体整流过滤网。

本发明进一步的改进在于，主流气体整流过滤网上涂抹有吸附材料，用于清除杂质，同时使流动更为稳定、均匀。

本发明进一步的改进在于，U型冷却通路还包括连通在冷却气体稳流罐和冷却气体加热器之间的冷流进口流量计，连通在冷流进口三通电磁阀的出口与U型冷却通道的入口之间的冷却气体压力表，以及连通在U型冷却通道的出口与冷流出口真空泵的入口之间的冷却出口调节阀和冷却出口流量计。

本发明进一步的改进在于，叶顶板包括平板型和凹槽型两大类，其中凹槽型叶顶板具有凹槽型叶顶突起结构。

本发明进一步的改进在于，当叶顶板和嵌入板均采用有机玻璃制成时，内外通道设置带有BaF涂层的红外观察窗口，同时对嵌入板的传热表面进行高反射率镀膜处理，以提高数据采集效率。

本发明进一步的改进在于，当叶顶板和嵌入板均采用合金制成时，内部开设槽缝结构，槽缝结构处铺设有与数据采集分析计算机连接的热电片。

本发明进一步的改进在于，叶顶板的外部包裹有隔热棉。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的冷却实验系统包括高温主流通路和U型冷却通路，综合考虑了内部冷却工质和外部高温主流对叶顶温度分布的影响，更接近叶片实际运行状态，因此该实验能为叶顶冷却结构的设计及应用提供更加直接且更为准确的参考数据；该实验台通过双回路和可拆卸实验段设计，具有多功能特点。在宏观层面，可进行两大类研究：内、外冷却的相互影响机制和内、外冷却的耦合效应，通过更换不同材料制成的叶顶板和嵌入板，分别开展瞬态和稳态实验研究。在微观层面，可对多种叶顶类型、叶顶内部冷却结构、叶顶气膜孔形状及其布置方式等进行研究，并且这些结构均设于叶顶板和嵌入板上，可通过更换相应的叶顶板和嵌入板实现。该实验台设计使得叶顶多工况冷却的实验研究更加简单、便捷，可以大大节约研究成本；同时，叶顶冷却结构具有高效低阻的特点，嵌入板内表面布置的球窝/球凸结构在破坏流动边界层、增强流动掺混的同时仅带来很小的阻力损失，而气膜孔的设置削弱了叶顶内表面附近的流动分离涡，减小了涡结构带来的能量损失，冷却工质通过气膜孔流出并覆盖在叶顶外表面形成保护气膜；温度控制盒分别与主流气体加热器和冷却气体加热器相连，可以同时控制两条通路的工质温度，并通过主流三通电磁阀和冷流进口三通电磁阀的配合，实现瞬态实验中所需的温度跃迁，这种控制方式在进行温度统一调控的同时可以保证两条通路温升同步、响应迅速，因此减小了瞬态实验误差；此外，实验中采用经过几何和传热相似性变换的模化通道，使得流动、传热参数的测量更加容易进行，且实验结果通过相似准则数的归纳可以直接应用于实际叶片冷却研究和设计中。

进一步，高温主流通路中的主流气体流量计可以实时监控流量，配合主流气体稳流罐和主流气体加热器，可以实现大范围流量、温度的主流气体的稳定供应，提高实验的可控性与精准度。

进一步，主流气体压力表可以测量得到高温主流气体在实验段中的压力损失，进而获得实验段中的流动阻力损失，为叶片冷却结构的低阻化设计提供重要参考。

进一步，高温主流通路中的主流气体整流过滤网上涂抹有吸附材料，可以净化气体，保证其质量的同时使实验段的高温来流更为稳定、均匀。

进一步，U型冷却通路中实验段上下游的冷流进口流量计、冷却气体压力表、冷流出口流量计可以实时获取该通路的流量、压力数据，配合冷流进口三通电磁阀、冷流出口调节阀，可以精确控制叶顶气膜孔流出的冷却气体量，进而控制气膜比，开展多工况下叶顶冷却实验研究。

进一步，实验测试段中的叶顶板为可拆卸结构，通过更换不同结构的叶顶板，如平板型、凹槽型，可以对多种不同类型叶顶的冷却特性进行研究，扩展实验结果的适用范围。

进一步，开展内外冷却的相互影响机制研究时，采用瞬态方法，叶顶板和嵌入板均选用导热系数较小的有机玻璃，以满足双侧的半无限大物体瞬态导热假设，内外通道设置带有BaF涂层的红外观察窗口，同时对嵌入板的传热表面进行高反射率镀膜处理，采用PIV技术和红外热成像技术可以同时获得流场和内外表面温度场分布，该设计可以有效提高叶顶内外表面温度场和流场的数据采集效率以及数据的完整性和准确性。

进一步，开展内外冷却的耦合效应研究时，采用稳态方法，叶顶板和嵌入板均选用透平叶片实际采用的合金材料，在叶顶板和嵌入板中开设槽缝结构，槽缝结构处铺设有与数据采集分析计算机连接的热电片，该设计可以方便地获取叶顶温度场分布，进而分析内部冷却和外部冷却的耦合效应。

进一步，叶顶板的外部包裹有隔热棉，可以有效减小甚至消除稳态实验中的热耗散，提高测试结果的准确性，进而保证实验的可靠性。

由上述内容可知，本发明建立了一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，采用双通路设计分别模拟U型通道冷却气流和高温主流，可研究不同流动参数以及气膜比对冷却性能的影响；通过实验段的不同设计可进行两个方面的研究，即内外冷却的相互影响机制研究和内外冷却的耦合机制研究；通过更换叶顶板和嵌入板，可对多种因素进行研究：不同叶顶类型、球窝/球凸及其复合结构的布置方式、气膜孔结构及其布置方式等。

附图说明

图1是整体实验系统图；

图2是叶顶板和嵌入板装配示意图；

图3是平板型叶顶结构示意图；

图4是凹槽型叶顶结构示意图；

图5是瞬态实验段布置方案U型冷却通道方向视图；

图6是瞬态实验段布置方案高温主流通道方向视图及其数据采集分析系统；

图7是稳态实验段布置方案图；

图8是稳态实验段纵剖面示意图；

图9是稳态实验段槽缝结构示意图及其热电片布置方式

图中：101为主流气泵，102为主流气体稳流罐，103为主流气体流量计，104为主流气体加热器，105为温度控制盒，106为主流三通电磁阀，107为主流气体压力表，108为主流气体整流过滤网，201为冷流进口气泵，202为冷却气体稳流罐，203为冷流进口流量计，204为冷却气体加热器，205为冷流进口三通电磁阀，206为冷却气体压力表，207为冷流出口调节阀，208为冷流出口流量计，209为冷流出口真空泵，301为U型冷却通道，302为高温主流通道，303为叶顶板，304为嵌入板，305为球窝/球凸结构，306为气膜孔，307为凹槽型叶顶突起结构，308为隔热棉，309为槽缝结构，401为冷却通道红外热像仪，402为主流通道红外热像仪，403为CCD相机，404为热电片，405为数据采集分析计算机。

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，本发明提供的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，包括高温主流通路、U型冷却通路、实验测试段以及数据采集分析系统。

参照图1，高温主流通路包括主流气泵101、主流气体稳流罐102、主流气体流量计103、主流气体加热器104、温度控制盒105、主流三通电磁阀106、主流气体压力表107以及主流气体整流过滤网108。室温空气通过主流气泵101进入高温主流通路，在经过主流气体稳流罐102的压力补偿后，稳定地流入主流气体加热器103中升温，并通过主流三通电磁阀106和主流气体流量计103的调节和观测，实现预设流量的精确调控，在进入实验段之前，通过主流气体整流过滤网108吸附杂质，提高高温气体品质的同时使其流动更为稳定、均匀。

参照图1，U型冷却通路包括冷流进口气泵201、冷却气体稳流罐202、冷流进口流量计203、冷却气体加热器204、冷流进口三通电磁阀205、冷却气体压力表206、冷流出口调节阀207、冷流出口流量计208和冷流出口真空泵209。冷流进口气泵201将室温空气送入冷却通道中，经过冷却气体稳流罐202的沉降作用之后进入冷却气体加热器204中，温度控制盒105同时与主流气体加热器104和冷却气体加热器204相连，进行实时温度监控并调节加热功率，使高温主流气体和冷却气体达到预设温度并保持稳定。调节冷流进口三通电磁阀205和冷流出口调节阀207，并实时获取冷流进口流量计203和冷流出口流量计208读数，可以方便地控制冷却气膜流量，两者之差即为叶顶冷却气膜流量。

参照图1和图2，实验测试段包括U型冷却通道301、高温主流通道302、叶顶板303以及嵌入板304。叶顶板303设置在U型冷却通道301和高温主流通道302之间，且为可拆卸结构，叶顶板303上设置嵌入板304，嵌入板304上布置球窝/球凸结构305和气膜孔306，球窝/球凸结构305在强化传热的同时仅带来很小的阻力损失，具有优秀的综合热性能，气膜孔306是进行气膜冷却的关键结构，内部冷却气体即是通过气膜孔306进入高温主流通道302中。实验中采用经过几何和传热相似性变换的模化通道，使得流动、传热参数的测量更加容易进行，且实验结果通过相似准则数的归纳可以直接应用于实际叶片冷却研究和设计中。

参照图2、图3和图4，叶顶板303和嵌入板304的可拆卸结构使其在实验中方便更换，在考虑结构因素的多工况研究中可以大大节约成本，并提高效率。透平叶片叶顶主要分为平板型和凹槽型两大类，其中凹槽型叶顶板具有凹槽型叶顶突起结构307，可以通过更换叶顶板对不同类型叶顶的冷却特性进行研究。球窝/球凸结构305和气膜孔306布置在嵌入板上，可以通过更换嵌入板304对不同球窝/球凸结构305及布置方式、不同气膜孔结构及布置方式的冷却特性进行研究。叶顶板303和嵌入板304为同种材料，可选择有机玻璃和合金，分别进行瞬态和稳态实验研究。叶顶板303和嵌入板304为有机玻璃时，内外通道设置带有BaF涂层的红外观察窗口，同时对嵌入板304的传热表面进行高反射率镀膜处理，以提高数据采集效率。

参照图1、图5和图6，研究叶顶内外冷却的相互影响机制时，采用瞬态研究方法，通过主流气体加热器104、主流三通电磁阀106、冷却气体加热器204、冷流进口三通电磁阀205和温度控制盒105的组合可以实现两条通路气体的瞬态温升，即首先将主流三通电磁阀106和冷流进口三通电磁阀205关闭，出口调至大气侧，待空气达到预设温度后开启阀门，将工质送入实验测试段。叶顶板303为40cm厚的有机玻璃，以满足双侧的半无限大物体瞬态导热假设，同时布置有冷却通道红外热像仪401和主流通道红外热像仪402，对叶顶板303内外表面同时进行拍摄，以获取温度场数据。为提高测试数据的准确性，在叶顶板303内外表面采用镀膜法提高发射率，并在两通道外侧壁面设置红外窗口以提高光线的透过性。叶顶板303上方设置CCD相机403，采用PIV技术拍摄获得流场分布，三项数据均实时传输至数据采集分析计算机405中进行处理。

参照图1、图7、图8和图9，研究叶顶板303内外冷却的耦合效应时，采用稳态实验方法，高温主流气体和冷却气体通过温度控制盒105、主流气体加热器104和冷却气体加热器204的综合调控达到预设温度。叶顶板303选用透平叶片实际采用的合金材料，为防止实验过程中发生热量的耗散，在其外部包裹足够厚的隔热棉308。叶顶板303和嵌入板304中开设狭小的槽缝结构309，在其中铺设12-24个热电片404，将各部位的温度进行汇总、处理获得叶顶温度分布，此外，在叶顶板303上方设置CCD相机403，对流场结构进行拍摄，热电片404测得的温度和流场分布均传入数据采集分析计算机405中进行处理。

Claims (9)

1.一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，包括高温主流通路、U型冷却通路、实验测试段和数据采集分析系统；其中，

高温主流通路包括温度控制盒(105)以及依次连通的主流气泵(101)、主流气体稳流罐(102)、主流气体加热器(104)和主流三通电磁阀(106)；

U型冷却通路包括冷流出口真空泵(209)以及依次连通的冷流进口气泵(201)、冷却气体稳流罐(202)、冷却气体加热器(204)和冷流进口三通电磁阀(205)；

实验测试段包括U型冷却通道(301)、高温主流通道(302)以及设置在两者之间的叶顶板(303)，其中，叶顶板(303)的中心开设有通孔，该通孔处镶嵌有嵌入板(304)，嵌入板(304)上布置有球窝/球凸结构(305)和气膜孔(306)；

数据采集分析系统包括用于观察U型冷却通道(301)的冷却通道红外热像仪(401)，用于观察高温主流通道(302)的主流通道红外热像仪(402)，设置在叶顶板(303)上方的CCD相机(403)，以及与冷却通道红外热像仪(401)、主流通道红外热像仪(402)和CCD相机(403)均连接的数据采集分析计算机(405)；

温度控制盒(105)用于分别控制主流气体加热器(104)和冷却气体加热器(204)；主流三通电磁阀(106)的出口连通至高温主流通道(302)的入口；冷流进口三通电磁阀(205)的出口连通至U型冷却通道(301)的入口，U型冷却通道(301)的出口连通至冷流出口真空泵(209)的入口。

2.根据权利要求1所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，高温主流通路还包括连通在主流气体稳流罐(102)和主流气体加热器(104)之间的主流气体流量计(103)。

3.根据权利要求1所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，高温主流通路还包括连通在主流三通电磁阀(106)的出口与高温主流通道(302)的入口之间的主流气体压力表(107)和主流气体整流过滤网(108)。

4.根据权利要求3所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，主流气体整流过滤网(108)上涂抹有吸附材料，用于清除杂质，同时使流动更为稳定、均匀。

5.根据权利要求1所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，U型冷却通路还包括连通在冷却气体稳流罐(202)和冷却气体加热器(204)之间的冷流进口流量计(203)，连通在冷流进口三通电磁阀(205)的出口与U型冷却通道(301)的入口之间的冷却气体压力表(206)，以及连通在U型冷却通道(301)的出口与冷流出口真空泵(209)的入口之间的冷却出口调节阀(207)和冷却出口流量计(208)。

6.根据权利要求1所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，叶顶板(303)包括平板型和凹槽型两大类，其中凹槽型叶顶板具有凹槽型叶顶突起结构(307)。

7.根据权利要求6所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，当叶顶板(303)和嵌入板(304)均采用有机玻璃制成时，内外通道设置带有BaF涂层的红外观察窗口，同时对嵌入板(304)的传热表面进行高反射率镀膜处理，以提高数据采集效率。

8.根据权利要求6所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，当叶顶板(303)和嵌入板(304)均采用合金制成时，内部开设槽缝结构(309)，槽缝结构(309)处铺设有与数据采集分析计算机(405)连接的热电片(404)。

9.根据权利要求8所述的一种燃机透平叶片的叶顶耦合冷却实验系统，其特征在于，叶顶板(303)的外部包裹有隔热棉(308)。