CN108982113B - 一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，包括冷却空气供应段、水‑雾循环通路、气‑雾混合供应段、实验段和数据采集分析系统；冷却空气供应段包括高压气泵、稳流气罐、PCHE换热系统和气体电磁阀；水‑雾循环通路包括气‑液分离装置、储液箱、水泵、液体电磁阀和雾化装置；气‑雾混合供应段包括气‑雾混合装置；实验段包括气‑雾进口通道和冲击冷却腔室，其顶部设有若干射流孔，两个侧面设有若干抽气孔；数据采集分析系统包括数据采集分析计算机以及与之连接的CCD相机和红外热成像仪；PCHE换热系统的气体和气‑液混合出口分别连通至气‑雾混合装置的气体入口和气‑液分离装置入口，气‑液分离装置的液体出口连通至储液箱的入口。

Description

一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统

技术领域

本发明属于燃气轮机冷却技术领域，特别涉及一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统。

背景技术

燃气轮机是进行能量转换的关键工业装备，被广泛应用于电力、航空、舰船等军民制造业中，我国“两机”重大科技专项即是瞄准这一重要战略需求，解决核心技术难题，突破制造发展瓶颈，实现自主研发与生产的目标。然而，随着燃气轮机的发展，对能量转换效率和功率的要求不断提高，使得透平进气温度不断增加，为了保证透平叶片长时间安全稳定地运转，往往从压气机中抽出部分空气进行冷却，不可避免地降低了热效率，因此掌握并采用高效的冷却技术对于透平叶片乃至整个燃机装置的安全运行都是极为关键的。

在透平的运行过程中，叶片前缘部位受到高温来流的不断冲刷，承受着极高的热负荷，且在上游尾迹和气流脉动的共同作用下，前缘区域的温度分布非常复杂。在叶片材料承温能力有限的情况下，冲击冷却成为前缘温降保护的首选方式。工质作为热量的载体和运输媒介，在传热过程中扮演着重要角色，气-雾两相流不仅具有与气体相近的低粘特性，而且其热容量在气体的基础上得到了很大的提升，具有明显的流动与传热优势，因此采用气-雾两相流体对叶片前缘进行冲击冷却可以取得不错的效果。在叶片冷却技术的开发过程中，实验作为重要的研究手段，是不可或缺的一环，然而目前的前缘冷却实验台较为单一，在进行两相冷却研究时，并不能保证工质供应的稳定性，且实验中工质的相关参数，如流量、温度的响应速度仍有待提升。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，进行冲击冷却特性研究，在实验中可以保证两相工质的持续、稳定供应以及温度、流量等参数的快速响应；并提出了冲击冷却腔室内的新型高效组合冷却结构，以进一步提升叶片前缘的冷却效果。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，包括冷却空气供应段、水-雾循环通路、气-雾混合供应段、实验段以及数据采集分析系统；冷却空气供应段包括依次连通的高压气泵、稳流气罐、PCHE换热系统和气体电磁阀；

水-雾循环通路包括依次连通的气-液分离装置、储液箱、水泵、液体电磁阀和雾化装置；

气-雾混合供应段包括气-雾混合装置，且气-雾混合装置设有高速搅拌器；

实验段包括冲击冷却腔室，设置在该冲击冷却腔室顶部的若干射流孔，以及设置在该冲击冷却腔室两个侧面上的若干抽气孔，每个射流孔的中心为气-雾进口通道；

数据采集分析系统包括数据采集分析计算机以及与数据采集分析计算机连接且用于观察实验段的CCD相机和红外热成像仪；

其中，PCHE换热系统设置有气体出入口和气-液混合出入口，气-液分离装置设置有气体和液体两个出口，气体出口连接大气；稳流气罐的出口连通至PCHE换热系统的气体入口，PCHE换热系统的气体出口通过气体电磁阀连通至气-雾混合装置的气体入口，PCHE换热系统的气-液混合出口连通至气-液分离装置的入口，气-液分离装置的液体出口连通至储液箱的入口，雾化装置的出口连通至气-雾混合装置的液体入口，气-雾混合装置的出口连通至各个射流孔，冲击冷却腔室的出口连通至PCHE换热系统的气-液混合入口。

本发明进一步的改进在于，冷却空气供应段还包括连通在高压气泵和稳流气罐之间的气体流量计。

本发明进一步的改进在于，水-雾循环通路还包括连通在液体电磁阀和雾化装置之间的液体流量计。

本发明进一步的改进在于，气-雾混合供应段还包括压差变送器和两相整流滤网；压差变送器的一端连接至气-雾混合装置的出口，另一端连接至冲击冷却腔室的出口，用以测量实验段压差；两相整流滤网设置在气-雾混合装置的出口处。

本发明进一步的改进在于，射流孔为圆形射流孔和花瓣形射流孔，花瓣形射流孔外边界由多个等直径圆组成，其圆心均匀排布于同一中心圆上，花瓣形射流孔的花瓣数量为3-6。

本发明进一步的改进在于，抽气孔与冲击冷却腔室的侧壁间的角度为30-150°，抽气孔孔径与射流孔孔径的比值为0.3-0.7。

本发明进一步的改进在于，冲击冷却腔室的冲击靶面上布置有单列或多列泪滴状球窝和椭圆形翅片。

本发明进一步的改进在于，PCHE换热系统包括PCHE换热核心板、冷却空气温度计和协同控制系统；其中，

PCHE换热核心板上设置有气体出入口、气-液混合出入口以及制冷剂出入口，稳流气罐的出口连通至PCHE换热核心板的气体入口，PCHE换热核心板的气体出口通过气体电磁阀连通至气-雾混合装置的气体入口，PCHE换热核心板的气-液混合出口连通至气-液分离装置的入口，冲击冷却腔室的出口连通至PCHE换热核心板的气-液混合入口；PCHE换热核心板的制冷剂出口与制冷剂入口之间依次连通有制冷剂冷凝端、制冷剂存储罐和制冷循环泵；

冷却空气温度计设置在PCHE换热核心板的气体出口处，其输出端与协同控制系统的输入端连接，协同控制系统用于控制制冷循环泵工作。

本发明进一步的改进在于，PCHE换热系统还包括连通在制冷剂存储罐和制冷循环泵之间的制冷循环流量计，与协同控制系统的输入端连接。

本发明进一步的改进在于，PCHE换热核心板上设置有多列均匀排布的翼型翅片；

制冷剂选用R134a或R22制冷剂。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，采用气体和水雾两通道供应方式，通过调节两个电磁阀，可以实现任意比例的气-雾两相工质的供应，且气-雾混合装置中的高速搅拌器可以保证两相工质的均匀混合，满足冲击冷却的高精度实验要求，保证结果的准确性及可信度；水-雾循环通路的设置使得液体工质得到有效的回收与再利用，提高系统稳定性的同时具有很好的节能效果；PCHE换热系统可以准确调控冷却气体温度，并对实验段出口工质进行冷却，保证了整个实验系统的完整性与高效运行，使流量、温度等参数能够快速响应；此外，还提供了叶片前缘的新型冲击冷却结构，在有效控制通道内流动、增大热通量的同时将阻力损失控制到一定范围内；数据采集分析系统包括两个传感器：CCD相机、红外热成像仪，CCD相机可以拍摄通道中的流动结构，红外热成像仪则可以获取冲击靶面的温度分布，进而获得传热特性，数据采集分析计算机可以对相关数据进行处理和分析，为燃机透平叶片的设计和应用提供有效的结论。

进一步，冷却空气供应段中的气体流量计可以实时监测该通路的气体流量，其与高压气泵和气体电磁阀的配合可以实现大范围工况的流量精确调控。

进一步，水-雾循环通路中的液体流量计监控液体流量的同时，配合雾化装置、液体电磁阀和冷却空气供应段，可以精确调节气、雾两相工质配比，方便研究工质参数对冲击冷却特性的影响机理。

进一步，气-雾混合装置出口处的两相整流滤网，可以为实验段中的冲击冷却过程提供稳定的气-雾两相工质，从而排除由工质引起的干扰因素，提高实验的稳定性，此外还可以通过调整网孔大小来控制工质的湍流强度，进一步拓展实验系统的功能。压差变送器可以测量实验段的压降，从而获得阻力损失特性，指导叶片前缘冲击冷却低阻结构的开发。

进一步，叶片前缘冲击冷却结构中，花瓣形射流孔具有两圆交接而形成的脊状结构，可以破环流动边界层的发展，有效改善流动特性，同时扩大射流覆盖区域，减小流动封闭涡造成的局部高温区，进而有效提高靶面的热通量。

进一步，冲击冷却腔室侧面开设的倾斜抽气孔，通过抽吸作用可以提高内流湍动度，进一步强化内部流动掺混，削弱横流积累对冲击冷却的负效应，提高靶面和抽气孔附近壁面的传热，同时也缓解了气-雾两相工质的出流压力。

进一步，冲击靶面上布置的泪滴状球窝结构，在打破流动边界层、提高流动再附区域传热、增加传热面积的同时，由于前缘结构较为狭窄，仅产生较小的流动分离区域。此外，泪滴状球窝为凹陷结构，并未伸入到主流区域中，因此其带来的阻力损失很小。椭圆形肋片一方面加速了主流流动，增强了流动混合，提高壁面传热系数的同时增大了传热面积，进一步提高了热通量，另一方面其类流线型侧面形状具有减阻效果，可将流阻控制在一定范围内。泪滴状球窝和椭圆形翅片的复合结构具有明显的高效低阻特点。

进一步，PCHE换热系统可以实现三种工质的换热，集两项功能为一体：常温空气的冷却和实验段出口气-雾两相流体的冷却，且PCHE的微通道结构和一体式结构大大提高了系统的紧凑性和抗疲劳能力。此外，PCHE换热系统中的制冷剂冷凝端可以通过连接外部回路对热量进行有效利用，具有优良的节能效果。

进一步，PCHE换热系统中的制冷循环流量计实时监控制冷剂流量，协同控制系统接收冷却空气的温度信息和制冷剂的流量信息，根据预设值，通过控制泵的运转功率对换热功率进行实时调控，进而维持一定流量下冷却空气温度的稳定性，同时提高各流动参数的响应速度。

进一步，PCHE核心板上的翼型翅片结构具有优良的通流特性，可使流域整体保持较高的湍动度，强化换热的同时也增大了换热面积，且仅产生很小的额外阻力损失。

由上述内容可知，本发明建立了一种新型两相实验系统，用于研究透平叶片前缘冲击冷却特性，该实验设计可以有效地进行水的雾化、气-雾混合和气-液分离，并实现任意比例的气-雾两相工质供应；PCHE换热系统在实现两种换热功能的同时，提高了整体结构的紧凑性，也加快了工质温度与流量的响应速度。此外，还提出了一种前缘冲击冷却腔室内的新型高效组合冷却结构，大大提升了传热效果，减小了压损。

附图说明

图1是整体实验系统图；

图2是PCHE换热系统图；

图3是叶片前缘冲击冷却结构三维示意图；

图4是叶片前缘冲击冷却结构底视图；

图5是圆形射流孔截面示意图；

图6是花瓣形射流孔截面示意图。

图中：101为高压气泵，102为稳流气罐，103为气体流量计，104为气体电磁阀，105为PCHE换热系统，1051为PCHE换热核心板，1052为翼型翅片，1053为制冷循环泵，1054为制冷循环流量计，1055为制冷剂存储罐，1056为制冷剂冷凝端，1057为冷却空气温度计，1058为协同控制系统，201为水泵，202为储液箱，203为液体流量计，204为液体电磁阀，205为雾化装置，206为气-液分离装置，301为气-雾混合装置，302为压差变送器，303为两相整流滤网，401为气-雾进口通道，402为射流孔，4021为圆形射流孔，4022为花瓣形射流孔，403为冲击冷却腔室，404为泪滴状球窝，405为椭圆形翅片，406为抽气孔，501为数据采集分析计算机，502为CCD相机，503为红外热成像仪。

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。

参照图1，本发明提供的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，进行冲击冷却特性研究，包括冷却空气供应段、水-雾循环通路、气-雾混合供应段、实验段以及数据采集分析系统。

参照图1，冷却空气供应段依次布置有高压气泵101、稳流气罐102、气体流量计103、PCHE(印刷电路板式)换热系统105和气体电磁阀104。常温空气经过高压气泵101进入该通道，在稳流气罐102中聚集并充分混合，提供稳定、均匀的气流，然后经过PCHE换热系统105达到预设的冷却空气温度值；

参照图1，水-雾循环通道的供应段依次布置有储液箱202、水泵201、液体电磁阀204、液体流量计203和雾化装置205。水泵201将储液箱202中的水输送至供应管道中，通过液体电磁阀204和液体流量计203的配合达到预设的流量值，然后送入雾化装置205产生颗粒均匀的液雾。此外，该通路中还设有气-液分离装置206，有气体和液体两个出口，气体出口连接大气，液体出口通过管道与储液箱202进口相连，形成循环回路。

参照图1，气-雾混合供应段依次布置有气-雾混合装置301、压差变送器302和两相整流滤网303。空气供应段的出口和水-雾循环通路中雾化装置205的出口均通过管道连接至气-雾混合装置301，通过高速搅拌使其成为均匀的气-雾两相流，再经过两相整流滤网303，将杂质吸附，为实验段提供稳定、纯净且均匀的气-雾两相工质，通过调节两个电磁阀，可以实现任意比例的气-雾两相流体的供应。压差变送器302一端与气-雾混合装置301的出口相连，另一端与冲击冷却腔室403的出口相连，可以测量实验段中的压降。

参照图1和图2，PCHE换热系统105包括PCHE换热核心板1051、制冷循环泵1053、制冷循环流量计1054、制冷剂存储罐1055、制冷剂冷凝端1056、冷却空气温度计1054和协同控制系统1058。PCHE换热核心板1051可以实现三种流体的换热，即通过制冷剂的循环对常温空气和实验段出口的气-雾两相流体进行冷却，PCHE换热核心板1051上有多列均匀布置的翼型翅片1052，在强化换热的同时仅产生较小的流阻。循环中采用R134a或R22等制冷剂，保存在制冷剂存储罐1055中，协同控制系统1058通过接收冷却空气的温度信息和制冷剂的流量信息，根据预设值，通过控制制冷循环泵1053的运转功率对换热功率进行实时调控，进而维持一定流量下冷却空气温度的稳定性。此外，制冷剂在制冷剂冷凝端1056可以通过连接外部回路对热量进行有效利用，以充分、有效地利用热能，具有优良的节能效果。

参照图1、图3至图6，实验段包括气-雾进口通道401、带有单列或多列射流孔402的隔板和冲击冷却腔室403。气-雾两相工质充满进口通道后，通过射流孔402进入冲击冷却腔室403，对靶面进行冲击以吸收热量，从而达到冷却效果。射流孔402形状包括圆形射流孔4021和花瓣形射流孔4022两类，花瓣形射流孔4022的花瓣数量为3-6(本实施例中仅展示出圆形和四花瓣形的射流孔截面)，花瓣形射流孔4022可以有效地改善流动特性，同时扩大射流覆盖区域。冲击靶面上均匀布置有单列或多列泪滴状球窝404(本实施例中仅展示出单列球窝布置方式)和椭圆形翅片405，球窝结构在打破流动边界层、提高流动再附区域传热、增加传热面积的同时，由于前缘结构较为狭窄，仅产生较小的流动分离区域，椭圆形肋片一加速了主流流动，增强了流动混合，提高壁面传热系数的同时增大了传热面积，进一步提高了热通量，另一方面其类流线型侧面形状具有减阻效果，可将流阻控制在一定范围内。泪滴状球窝和椭圆形翅片的复合结构具有明显的高效低阻特点。冲击冷却腔室403侧面开设有均匀排布的抽气孔406，抽气孔406与侧壁间的角度为30-150°，其孔径与射流孔402孔径的比值为0.3-0.7，该抽气孔通过抽吸作用可以提高内流湍动度，进一步强化内部流动掺混，削弱横流积累对冲击冷却的负效应，提高靶面和抽气孔附近壁面的传热，同时也缓解了气-雾两相工质的出流压力。

参照图1，数据采集分析系统中CCD相机502、红外热成像仪503和数据采集分析计算机501，CCD相机502可以拍摄通道中的流动结构，红外热成像仪503则可以获取冲击靶面的温度分布，进而获得传热特性，数据采集分析计算机501可以对相关数据进行处理和分析，为工程应用提供有效的结论。

Claims (10)

1.一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，包括冷却空气供应段、水-雾循环通路、气-雾混合供应段、实验段以及数据采集分析系统；冷却空气供应段包括依次连通的高压气泵(101)、稳流气罐(102)、PCHE换热系统(105)和气体电磁阀(104)；

水-雾循环通路包括依次连通的气-液分离装置(206)、储液箱(202)、水泵(201)、液体电磁阀(204)和雾化装置(205)；

气-雾混合供应段包括气-雾混合装置(301)，且气-雾混合装置(301)设有高速搅拌器；

实验段包括冲击冷却腔室(403)，设置在该冲击冷却腔室(403)顶部的若干射流孔(402)，以及设置在该冲击冷却腔室(403)两个侧面上的若干抽气孔(406)，每个射流孔(402)的中心为气-雾进口通道(401)；

数据采集分析系统包括数据采集分析计算机(501)以及与数据采集分析计算机(501)连接且用于观察实验段的CCD相机(502)和红外热成像仪(503)；

其中，PCHE换热系统(105)设置有气体出入口和气-液混合出入口，气-液分离装置(206)设置有气体和液体两个出口，气体出口连接大气；稳流气罐(102)的出口连通至PCHE换热系统(105)的气体入口，PCHE换热系统(105)的气体出口通过气体电磁阀(104)连通至气-雾混合装置(301)的气体入口，PCHE换热系统(105)的气-液混合出口连通至气-液分离装置(206)的入口，气-液分离装置(206)的液体出口连通至储液箱(202)的入口，雾化装置(205)的出口连通至气-雾混合装置(301)的液体入口，气-雾混合装置(301)的出口连通至各个射流孔(402)，冲击冷却腔室(403)的出口连通至PCHE换热系统(105)的气-液混合入口。

2.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，冷却空气供应段还包括连通在高压气泵(101)和稳流气罐(102)之间的气体流量计(103)。

3.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，水-雾循环通路还包括连通在液体电磁阀(204)和雾化装置(205)之间的液体流量计(203)。

4.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，气-雾混合供应段还包括压差变送器(302)和两相整流滤网(303)；压差变送器(302)的一端连接至气-雾混合装置(301)的出口，另一端连接至冲击冷却腔室(403)的出口，用以测量实验段压差；两相整流滤网(303)设置在气-雾混合装置(301)的出口处。

5.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，射流孔(402)为圆形射流孔(4021)和花瓣形射流孔(4022)，花瓣形射流孔(4022)外边界由多个等直径圆组成，其圆心均匀排布于同一中心圆上，花瓣形射流孔(4022)的花瓣数量为3-6。

6.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，抽气孔(406)与冲击冷却腔室(403)的侧壁间的角度为30-150°，抽气孔(406)孔径与射流孔(402)孔径的比值为0.3-0.7。

7.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，冲击冷却腔室(403)的冲击靶面上布置有单列或多列泪滴状球窝(404)和椭圆形翅片(405)。

8.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，PCHE换热系统(105)包括PCHE换热核心板(1051)、冷却空气温度计(1057)和协同控制系统(1058)；其中，

PCHE换热核心板(1051)上设置有气体出入口、气-液混合出入口以及制冷剂出入口，稳流气罐(102)的出口连通至PCHE换热核心板(1051)的气体入口，PCHE换热核心板(1051)的气体出口通过气体电磁阀(104)连通至气-雾混合装置(301)的气体入口，PCHE换热核心板(1051)的气-液混合出口连通至气-液分离装置(206)的入口，冲击冷却腔室(403)的出口连通至PCHE换热核心板(1051)的气-液混合入口；PCHE换热核心板(1051)的制冷剂出口与制冷剂入口之间依次连通有制冷剂冷凝端(1056)、制冷剂存储罐(1055)和制冷循环泵(1053)；

冷却空气温度计(1057)设置在PCHE换热核心板(1051)的气体出口处，其输出端与协同控制系统(1058)的输入端连接，协同控制系统(1058)用于控制制冷循环泵(1053)工作。

9.根据权利要求8所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，PCHE换热系统(105)还包括连通在制冷剂存储罐(1055)和制冷循环泵(1053)之间的制冷循环流量计(1054)，与协同控制系统(1058)的输入端连接。

10.根据权利要求8所述的一种用于透平叶片前缘冲击冷却的两相实验系统，其特征在于，PCHE换热核心板(1051)上设置有多列均匀排布的翼型翅片(1052)；

制冷剂选用R134a或R22制冷剂。