CN110243859A - 一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法，该系统包括静止供气系统、旋转实验测试平台以及控制系统；静止供气系统包括气泵、稳流罐、温控装置、三通电磁阀、流量计和压力表；旋转实验测试平台包括电机、转速传感器、变速齿轮箱、支撑台架、圆形实验台、实验测试段以及高速热成像系统；高速热成像系统包括高速热成像装置和图像处理计算机；控制系统与温控装置、流量计、压力表、转速传感器、气泵、电机和高速热成像系统连接；本发明方法可对透平叶片内部冷却通道在旋转状态下的传热性能进行实验研究，能够同时测试四种不同结构工况的传热数据，在获得更高精度实验数据的同时提高了测试效率，节约了测试时间。
Description
技术领域
本发明属于透平叶片冷却领域，特别涉及一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法。
背景技术
燃气轮机装置由于紧凑、高效、灵活的优点被广泛应用于化工、能源等各行业领域，而透平叶片作为燃气轮机的核心部件之一，保证其安全可靠运行尤为重要。目前先进燃气轮机的透平进口温度远远超过了材料许用温度，运行时还受到非定常气流的不断冲击，工作环境十分恶劣，为了保证叶片的正常工作，通常会在叶片内部布置各种冷却通道以降低叶片温度。
通过实验测试来获取不同叶片冷却通道内的传热性能是研发叶片的重要环节。然而，常规传热实验系统大多在静止条件下对内部冷却通道的传热性能进行研究，但动叶片的旋转效应对流动和传热性能有显著的影响，在实际运行中是不可忽略的，因此，为了更好地模拟叶片的真实工作环境，需要在旋转条件下对透平叶片内部冷却通道开展传热实验研究，这就对传热实验系统的设计加工以及测试提出了更高的要求。针对上述问题，迫切需要一套更为有效、精确的旋转传热实验系统对不同结构冷却通道进行传热性能测试，为高温透平叶片内部冷却结构设计提供更加真实的测试数据。
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冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法，可对透平叶片内部冷却通道在旋转状态下的传热性能进行实验研究，能够同时测试四种不同结构工况的传热数据，在获得更高精度实验数据的同时提高了测试效率，节约了测试时间。
本发明采用如下技术方案来实现：
一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，包括静止供气系统、旋转实验测试平台以及控制系统；其中，静止供气系统包括气泵、稳流罐、温控装置、三通电磁阀、流量计、压力表以及相应的静止连接管路；旋转实验测试平台包括电机、转速传感器、变速齿轮箱、支撑台架、圆形实验台、实验测试段、相应的旋转连接管路以及高速热成像系统；高速热成像系统包括高速热成像装置和图像处理计算机；控制系统与温控装置、流量计、压力表、转速传感器、气泵、电机和高速热成像系统连接；
气泵的出口与稳流罐的入口相连，稳流罐的出口依次通过三通电磁阀、静止主管道、旋转主管道以及旋转支管道与实验测试段入口相连，流量计和压力表连接在静止主管道上，实验测试段的出口直接开放连通大气；实验测试段安装在圆形实验台上，圆形实验台安装在支撑台架上；电机的输出轴与变速齿轮箱的输入轴连接，变速齿轮箱的输出轴与圆形实验台相连，转速传感器用于实时测量圆形实验台的转速；实验测试段采用透明有机玻璃，实验测试段的一侧设有待测试换热板，代表透平叶片内部冷却结构；在外部安装高速热成像装置，其拍摄镜头正对换热板，高速热成像装置与图像处理计算机相连；
控制系统具有内置的可编译控制算法，在实验中实时监测温度、流量、压力和转速数据，并与实验前的设定值进行比较，如发生偏差，则通过协同控制温控装置、气泵和电机将其调整至设定值；此外，控制系统还通过控制高速热成像系统使得其拍摄频率与圆形实验台的旋转速度获得良好的匹配。
本发明进一步的改进在于，静止主管道与旋转主管道之间采用密封部件连接。
本发明进一步的改进在于，圆形实验台与支撑台架之间采用滑动连接部件进行连接。
本发明进一步的改进在于，圆形实验台表面设有多种尺寸的径向挡板、周向挡板和环形挡板槽位，根据不同的实验测试段模化尺寸灵活安装不同尺寸的径向挡板、周向挡板和环形挡板，以良好的固定实验测试段。
本发明进一步的改进在于，环形挡板上设有多个环形挡板开口，其开设位置正对于实验测试段的换热板，以保证高速热成像系统的正常拍摄。
本发明进一步的改进在于，圆形实验台上安装有1-4个实验测试段，相应地设置1-4个旋转支管道，所有的旋转支管道均与旋转主管道相连，当实验测试段数量大于2时，各实验测试段及其旋转支管道在圆周方向均匀布置，每个实验测试段内能够安装不同的换热板，且最多能够同时进行四种工况的实验测试。
本发明进一步的改进在于，高速热成像装置的拍摄频率F根据圆形实验台的转速n、实验测试段数量N以及传热测试的时间步长来确定，通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比；高速热成像装置将拍摄的瞬态温度分布云图传输到图像处理计算机，对数据进行计算处理，得到传热系数和努塞尔数分布。
本发明进一步的改进在于，旋转实验测试平台用水平布置方式，或者采用垂直布置方式。
一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验方法，该方法基于上述一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，包括如下步骤：
步骤1：根据实验测试段尺寸安装相应的径向挡板、周向挡板和环形挡板，然后将实验测试段固定在圆形实验台上；
步骤2：将三通电磁阀连通至静止通道，电机关闭，圆形实验台处于静止状态；开启气泵，气流通过各通道进入实验测试段，然后排入外界环境，此时控制系统监测各参数以确保各装置正常运行，同时检查动静通道连接处的密封效果，如某些部件异常，则暂停运行，进行检修，若一切运行正常，则进行下一步；
步骤3：开启电机，带动圆形实验台和实验测试段旋转，运行高速热成像系统，将拍摄频率与圆形实验台的旋转参数进行匹配，拍摄图像并进行处理，并通过控制系统监测电机和高速热成像系统的运行状态，若运行异常，则暂停系统运行并进行检修，若运行正常，则进行下一步：
步骤4：将三通电磁阀连通至外部环境，此时空气在该处排入外部环境，不经过后续通道，控制系统根据预设参数开启温控系统，对空气进行加热，当其温度达到预设值后，将三通电磁阀连通至静止通道，由此实现空气的“温度跃迁”；高温空气沿静止主管道、旋转主管道和旋转支管道进入各实验测试段，与换热板进行传热，高速热成像装置拍摄传热面的温度分布，其拍摄频率F根据圆形实验台的转速n、实验测试段数量N以及传热测试的时间步长来确定，通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比，然后将拍摄结果送入图像处理计算机处理获得传热面的传热系数分布和努塞尔数分布，最多可同时获得四种工况的传热性能数据；
步骤5：完成测试后，首先关闭高速热成像系统，然后停止温控系统和电机的运行，待换热板温度降至常温后关闭气泵；进行下一组实验时，首先更换实验测试段的换热板，然后按照步骤1-5进行实验。
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冷却性能测试的旋转传热实验系统，能够对透平叶片在旋转状态下的传热数据进行测试，获得更加贴近实际运行工况的性能参数，可以为透平叶片内部冷却通道的设计提供重要的数据支撑；且实验系统的整体控制系统兼有结构简单和功能强大两方面优点，可以同时进行系统的监测和控制，再结合图像拍摄与数据处理，实现了对实验系统的智能控制。
进一步的，静止主管道与旋转主管道采用密封部件连接，以减少甚至消除实验时的气体泄流，既保证了动静交接处的相对运动，也保证了动静交接处的密封要求。
进一步的，径向挡板、周向挡板和环形挡板能够方便地安装与拆卸，因此可以根据不同的模化结构，选定不同范围的实验区域，对不同尺寸的实验测试段通道进行实验。
进一步的，旋转主管道可以与多个旋转支管道相连，最多能够与4个旋转支管道相连，即最多能够同时进行4组不同工况的传热实验，大大提高了实验效率，节约了实验时间。
进一步的，高速热成像装置可根据圆形实验台转速、实验测试段数量以及传热测试的时间步长确定拍摄频率，在不破坏流场的情况下对换热板表面的瞬态温度分布进行拍摄，并通过图像处理计算机对图像数据进行计算处理，获得准确的传热系数分布和努塞尔数分布。
本发明提供的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验方法，可测试获得透平叶片在旋转状态下的传热数据，并通过控制系统实现了对实验系统的智能控制，采用非接触式测试方法，在不破坏流场的情况下获得更加准确的传热数据，且可同时进行4组实验工况的测试，大大提高了实验效率。
附图说明
图1是实验系统整体示意图。
图2是控制系统示意图。
图3是环形挡板的安装与拆卸方法示意图。
图4是圆形实验台俯视图和实验测试示意图；其中图4(a)为单实验测试段示意图，图4(b)为双实验测试段示意图，图4(c)为三实验测试段示意图，图4(d)为四实验测试段示意图。
附图标记说明：
1为气泵，2为稳流罐，3为三通电磁阀，4为流量计，5为压力表，6为静止主管道，7为密封部件，8为旋转主管道，9为旋转支管道，10为实验测试段，11为环形挡板，12为圆形实验台，13为滑动连接部件，14为支撑台架，15为变速齿轮箱，16为电机，17为温控装置，18为周向挡板，19为径向挡板，20为图像处理计算机，21为高速热成像装置，22为换热板，23为挡板开口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1～图4，本发明提供的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，包括静止供气系统、旋转实验测试平台以及控制系统。
其中，静止供气系统包括气泵1、稳流罐2、温控装置17、三通电磁阀3、流量计4、压力表5以及相应的静止连接管路；旋转实验测试平台包括电机16、转速传感器、变速齿轮箱15、支撑台架14、圆形实验台12、实验测试段10、相应的旋转连接管路以及高速热成像系统；高速热成像系统包括高速热成像装置21和图像处理计算机20。
气泵1的出口与稳流罐2的入口相连，稳流罐2的出口依次通过三通电磁阀3、静止主管道6、旋转主管道8以及旋转支管道9与实验测试段10入口相连，流量计4和压力表5连接在静止主管道6上，实验测试段10的出口直接开放连通大气，静止主管道6与旋转主管道8之间采用密封部件7连接，以减少甚至消除实验时的气体泄流，达到良好的密封效果。
实验测试段10安装在圆形实验台12上，圆形实验台12安装在支撑台架14上，圆形实验台12与支撑台架14之间采用滑动连接部件13进行连接。
电机16的输出轴与变速齿轮箱15的输入轴连接，变速齿轮箱15的输出轴与圆形实验台12相连，变速齿轮箱15的作用是将电机16的转速改变为圆形实验台12所需的转速，转速传感器用于实时测量圆形实验台12的转速。
实验测试段10采用透明有机玻璃，实验测试段10的一侧设有待测试换热板22，代表透平叶片内部冷却结构；在外部安装高速热成像装置21，其拍摄镜头正对换热板22，高速热成像装置21与图像处理计算机20相连。
需要说明的是，本实施例给出的旋转实验测试平台为水平布置方式，但也可以根据实际情况采用垂直布置方式，即旋转面垂直于水平面。
参照图2，控制系统与温控装置17、流量计4、压力表5、转速传感器、气泵1、电机16和高速热成像系统连接。控制系统通过温控装置17控制稳流罐2内的气体温度，通过控制气泵1及其三通电磁阀3来调整实验系统内的气流流量，通过控制电机16来控制实验系统中圆形实验台12的转速，还可以控制高速热成像装置21的拍摄频率。控制系统具有内置的可编译控制算法，在实验中实时监测温度、流量、压力和转速等数据，并与实验前的设定值进行比较，如发生偏差，则通过协同控制温控装置17、气泵1和电机16将其调整至设定值。控制系统还通过控制高速热成像系统使得其拍摄频率与圆形实验台12的旋转速度获得良好的匹配。通过上述方式，实现实验系统的整体智能控制。
参照图3和图4，实验测试段10固定在圆形挡板上，同时圆形实验台12表面设有多种尺寸的径向挡板19、周向挡板18和环形挡板11槽位，可根据不同的实验测试段10模化尺寸灵活安装不同尺寸的径向挡板19、周向挡板18和环形挡板11，环形挡板11限定圆形实验区域，周向挡板18及径向挡板19约束了实验测试段10的轴向及径向位移，以对实验测试段10进行进一步固定。环形挡板11上设有多个环形挡板开口23，其开设位置正对于实验测试段10的换热板22，以保证高速热成像系统的正常拍摄。
参照图4，圆形实验台12上可以安装1-4个实验测试段10，相应地设置1-4个旋转支管道9，所有的旋转支管道9均与旋转主管道8相连，当实验测试段10数量大于2时，各实验测试段10及其旋转支管道9在圆周方向均匀布置，每个实验测试段10内可以安装不同的换热板22，因此本实验系统最多可以同时进行四种工况的实验测试。
高速热成像装置21的拍摄频率F(次/分钟)根据圆形实验台12的转速n(转/分钟)、实验测试段10数量N(1-4)以及传热测试的时间步长来确定，可通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比。高速热成像装置21将拍摄的瞬态温度分布云图传输到图像处理计算机20，对数据进行计算处理，得到传热系数和努塞尔数分布。
参照图1～图4，本发明提供的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验方法，包括如下步骤：
步骤1：根据实验测试段10尺寸安装相应的径向挡板19、周向挡板18和环形挡板11，然后将实验测试段10固定在圆形实验台12上；
步骤2：将三通电磁阀3连通至静止通道，电机16关闭，圆形实验台12处于静止状态。开启气泵1，气流通过各通道进入实验测试段10，然后排入外界环境，此时控制系统监测各参数以确保各装置正常运行，同时检查动静通道连接处的密封部件7的密封效果，如某些部件异常，则暂停运行，进行检修，若一切运行正常，则进行下一步；
步骤3：开启电机16，带动圆形实验台12和实验测试段10旋转，运行高速热成像系统，将拍摄频率与圆形实验台12的旋转参数进行匹配，拍摄图像并进行处理，并通过控制系统监测电机16和高速热成像系统的运行状态，若运行异常，则暂停系统运行并进行检修，若运行正常，则进行下一步：
步骤4：将三通电磁阀3连通至外部环境，此时空气在该处排入外部环境，不经过后续通道，控制系统根据预设参数开启温控系统，对空气进行加热，当其温度达到预设值后，将三通电磁阀3连通至静止通道，由此实现空气的“温度跃迁”。高温空气沿静止主管道6、旋转主管道8和旋转支管道9进入各实验测试段10，与换热板22进行传热，高速热成像装置21拍摄传热面的温度分布，其拍摄频率F(次/分钟)根据圆形实验台12的转速n(转/分钟)、实验测试段10数量N(1-4)以及传热测试的时间步长来确定，可通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比，然后将拍摄结果送入图像处理计算机20处理获得传热面的传热系数分布和努塞尔数分布，最多可同时获得四种工况的传热性能数据；
步骤5：完成测试后，首先关闭高速热成像系统，然后停止温控系统和电机16的运行，待换热板22温度降至常温后关闭气泵1。进行下一组实验时，首先更换实验测试段10的换热板22，然后按照步骤1-5进行实验。
Claims (9)
1.一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，包括静止供气系统、旋转实验测试平台以及控制系统；其中，
静止供气系统包括气泵(1)、稳流罐(2)、温控装置(17)、三通电磁阀(3)、流量计(4)、压力表(5)以及相应的静止连接管路；旋转实验测试平台包括电机(16)、转速传感器、变速齿轮箱(15)、支撑台架(14)、圆形实验台(12)、实验测试段(10)、相应的旋转连接管路以及高速热成像系统；高速热成像系统包括高速热成像装置(21)和图像处理计算机(20)；控制系统与温控装置(17)、流量计(4)、压力表(5)、转速传感器、气泵(1)、电机(16)和高速热成像系统连接；
气泵(1)的出口与稳流罐(2)的入口相连，稳流罐(2)的出口依次通过三通电磁阀(3)、静止主管道(6)、旋转主管道(8)以及旋转支管道(9)与实验测试段(10)入口相连，流量计(4)和压力表(5)连接在静止主管道(6)上，实验测试段(10)的出口直接开放连通大气；实验测试段(10)安装在圆形实验台(12)上，圆形实验台(12)安装在支撑台架(14)上；电机(16)的输出轴与变速齿轮箱(15)的输入轴连接，变速齿轮箱(15)的输出轴与圆形实验台(12)相连，转速传感器用于实时测量圆形实验台(12)的转速；实验测试段(10)采用透明有机玻璃，实验测试段(10)的一侧设有待测试换热板(22)，代表透平叶片内部冷却结构；在外部安装高速热成像装置(21)，其拍摄镜头正对换热板(22)，高速热成像装置(21)与图像处理计算机(20)相连；
控制系统具有内置的可编译控制算法，在实验中实时监测温度、流量、压力和转速数据，并与实验前的设定值进行比较，如发生偏差，则通过协同控制温控装置(17)、气泵(1)和电机(16)将其调整至设定值；此外，控制系统还通过控制高速热成像系统使得其拍摄频率与圆形实验台(12)的旋转速度获得良好的匹配。
2.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，静止主管道(6)与旋转主管道(8)之间采用密封部件(7)连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，圆形实验台(12)与支撑台架(14)之间采用滑动连接部件(13)进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，圆形实验台(12)表面设有多种尺寸的径向挡板(19)、周向挡板(18)和环形挡板(11)槽位，根据不同的实验测试段(10)模化尺寸灵活安装不同尺寸的径向挡板(19)、周向挡板(18)和环形挡板(11)，以良好的固定实验测试段(10)。
5.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，环形挡板(11)上设有多个环形挡板开口(23)，其开设位置正对于实验测试段(10)的换热板(22)，以保证高速热成像系统的正常拍摄。
6.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，圆形实验台(12)上安装有1-4个实验测试段(10)，相应地设置1-4个旋转支管道(9)，所有的旋转支管道(9)均与旋转主管道(8)相连，当实验测试段(10)数量大于2时，各实验测试段(10)及其旋转支管道(9)在圆周方向均匀布置，每个实验测试段(10)内能够安装不同的换热板(22)，且最多能够同时进行四种工况的实验测试。
7.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，高速热成像装置(21)的拍摄频率F根据圆形实验台(12)的转速n、实验测试段(10)数量N以及传热测试的时间步长来确定，通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比；高速热成像装置(21)将拍摄的瞬态温度分布云图传输到图像处理计算机(20)，对数据进行计算处理，得到传热系数和努塞尔数分布。
8.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，旋转实验测试平台用水平布置方式，或者采用垂直布置方式。
9.一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验方法，其特征在于，该方法基于权利要求4至8中任一项所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，包括如下步骤：
步骤1：根据实验测试段(10)尺寸安装相应的径向挡板(19)、周向挡板(18)和环形挡板(11)，然后将实验测试段(10)固定在圆形实验台(12)上；
步骤2：将三通电磁阀(3)连通至静止通道，电机(16)关闭，圆形实验台(12)处于静止状态；开启气泵(1)，气流通过各通道进入实验测试段(10)，然后排入外界环境，此时控制系统监测各参数以确保各装置正常运行，同时检查动静通道连接处的密封效果，如某些部件异常，则暂停运行，进行检修，若一切运行正常，则进行下一步；
步骤3：开启电机(16)，带动圆形实验台(12)和实验测试段(10)旋转，运行高速热成像系统，将拍摄频率与圆形实验台(12)的旋转参数进行匹配，拍摄图像并进行处理，并通过控制系统监测电机(16)和高速热成像系统的运行状态，若运行异常，则暂停系统运行并进行检修，若运行正常，则进行下一步：
步骤4：将三通电磁阀(3)连通至外部环境，此时空气在该处排入外部环境，不经过后续通道，控制系统根据预设参数开启温控系统，对空气进行加热，当其温度达到预设值后，将三通电磁阀(3)连通至静止通道，由此实现空气的“温度跃迁”；高温空气沿静止主管道(6)、旋转主管道(8)和旋转支管道(9)进入各实验测试段(10)，与换热板(22)进行传热，高速热成像装置(21)拍摄传热面的温度分布，其拍摄频率F根据圆形实验台(12)的转速n、实验测试段(10)数量N以及传热测试的时间步长来确定，通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比，然后将拍摄结果送入图像处理计算机(20)处理获得传热面的传热系数分布和努塞尔数分布，最多可同时获得四种工况的传热性能数据；
步骤5：完成测试后，首先关闭高速热成像系统，然后停止温控系统和电机(16)的运行，待换热板(22)温度降至常温后关闭气泵(1)；进行下一组实验时，首先更换实验测试段(10)的换热板(22)，然后按照步骤1-5进行实验。
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