CN111487074B - 面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置 - Google Patents

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Abstract

面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，包括入口稳流段，入口稳流段下方设置射流孔板，入口稳流段和中间腔体上部连接，通过射流孔板使入口稳流段和中间腔体内腔相通，中间腔体底部连接固定底板，中间腔体内部设置靶面，靶面下方设置有保温板，中间腔体侧面连接出口稳流段；靶面为不锈钢金属薄片，表面连接有米字型排布的热电偶，热电偶信号输出与数据采集中心的连接，靶面底部设置有黄铜导热柱，黄铜导热柱连接大功率短路加热器实现靶面加热，米字型排布的热电偶用来测量靶面温度；本发明能够提高燃烧室换热试验工况，合理地修正导热损失，满足试验密封性要求，获得更高精度的测量结果，解决靶面保温与电绝缘问题。

Description

面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置
技术领域
本发明涉及燃烧室衬套冲击冷却技术领域，特别涉及面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置。
背景技术
燃烧室作为燃机的“心脏”，对燃机的运行发挥着极其重要的作用。燃料在燃烧室内燃烧将自身的内能转化为流动工质的内能，产生的高温高压使燃烧室部件处于极其恶劣的工况。高温热载荷及温度梯度应力都是导致燃烧室部件失效的主要原因。现代先进燃气轮机为了有效地提高燃机循环效率，燃气进口温度不断提高，同时要满足低排放的要求，导致可用于掺混的冷却空气大幅减少，燃烧室部件的工况愈加恶劣，研究重型燃机燃烧室冷却技术刻不容缓。在传统冷却方式中，冲击冷却作为一种有效的冷却手段被广泛地应用。冲击冷却通过高速射流冲击靶面，在射流冲击的过程中产生的湍流流动增强对流换热，以提高换热效率。
试验探究重型燃机燃烧室衬套冲击冷却，首先要考虑燃烧室高温高压的实际工况。试验装置不能达到这一高温高压的实际工况，通常采用相似原理对燃烧室实际工况进行模化，从而满足试验装置进行试验探究。
有关阵列冲击的现有试验装置存在以下不足：
1)有关阵列冲击的现有试验装置能够提供的试验工况有限，导致模化工况与实际工况相距太大，不能准确模拟燃烧室实际工况下的换热效果，难以满足人们对燃烧室冲击冷却技术研究的高模化条件的一致性要求。
2)为了提高燃烧室试验工况与燃烧室实际工况的模化条件，要保证高温燃气与冷却气流的温比一致，或高温试验靶面的高热流量与燃烧室火焰筒的热流量一致，高热流量也成为试验探究重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的一大特点。有关阵列冲击的现有试验装置提供的靶面热流量较小，没有考虑高热流量对试验结果的影响。
3)有关阵列冲击的现有试验都是自由射流或在半封闭装置下进行，对密封性要求不高，而燃烧室衬套冷却需要考虑冷气的压损，对试验装置的密封性提出了严苛的要求。
4)有关阵列冲击的现有试验装置大多采用红外热像仪测量冲击靶面温度，加热靶面一面暴露在大气环境中，高热流量下辐射散热较大，从而导致难以准确确定热损，使测量精度不高。
5)有关阵列冲击的现有试验装置中，冲击靶面的保温部件体积较大且不满足电绝缘要求，而燃烧室衬套冷却试验靶面的高热流量需要大功率短路加热器，这涉及靶面与周边部件的电绝缘问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供了面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，能够提高燃烧室换热试验工况，合理地修正导热损失，满足试验密封性要求，获得更高精度的测量结果，解决了试验装置靶面保温与电绝缘问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，包括入口稳流段1，入口稳流段1下方设置射流孔板3，入口稳流段1和中间腔体8上部连接，通过射流孔板3使入口稳流段1和中间腔体8内腔相通，中间腔体8底部连接固定底板10，中间腔体8内部设置靶面4，靶面4下方设置有保温板5，中间腔体8侧面连接出口稳流段14。
所述的入口稳流段1内部设置有蜂窝整流装置2，蜂窝整流装置2由纵横交叉的金属薄片构成，促使冷却空气形成均匀流动。
所述的射流孔板3的位置由入口稳定段1和中间腔体8的凸缘固定，射流孔板3上设置有不同排布的阵列通孔，试验通过更换射流孔板3实现不同排布的阵列冲击靶面试验。
所述的保温板5设置在中间腔体8内侧，通过射流孔板3和固定底板10固定。
所述的入口稳定段1和出口稳定段14侧面均设置有引压孔。
所述的入口稳流段1与中间腔体8采用第一石棉耐高温密封垫7和耐高温密封胶进行密封；中间腔体8与固定底板10采用第二石棉耐高温密封垫9和耐高温密封胶进行密封；中间腔体8与出口稳流段14采用石棉耐高温密封垫和耐高温密封胶进行密封。
所述的靶面4为不锈钢金属薄片，表面连接有米字型排布的第三热电偶19，第三热电偶19信号输出与数据采集中心22的连接，靶面4底部设置有黄铜导热柱6，黄铜导热柱6连接大功率短路加热器21实现靶面4加热，米字型排布的第三热电偶19用来测量靶面4温度。
所述的靶面4形状包括平面、圆弧面及具有复杂粗糙单元的粗糙靶面。
所述的保温板5底部设置导热柱通孔5-1和米字型通孔5-2，靶面4上连接的黄铜导热柱6通过保温板5的导热柱通孔5-1伸出，再连接大功率短路加热器21，米字型通孔5-2以便于第三热电偶19的安装布置。
所述的保温板5的内部腔室5-3安装靶面4，保温板5采用耐高温的绝缘材料云母。
基于所述试验装置的冲击冷却换热效果的试验方法，包括以下步骤：
步骤一、在入口稳定段1侧面设置第一测压管16与第一热电偶15；在出口稳定段14侧面设置第二测压管18与第二热电偶17；在入口稳定段1的蜂窝整流装置2后设置热线风速仪20的测速探针；在试验装置上方安装红外热像仪23；黄铜导热柱6连接大功率短路加热器21；靶面4设置第三热电偶19，热电偶、测压管所得数据均输入到数据采集中心22；
步骤二、冷却空气进入入口稳定段1，经过蜂窝整流装置2稳流后通过射流孔板3形成阵列射流冲击下部加热的靶面4，流经由中间腔体8、射流孔板3、靶面4形成的射流空间后，通过出口稳定段14流出；
步骤三、热线风速仪20的测速探针测量入口稳流段1稳流后气流的脉动速度；设置在入口稳流段1的第一测压管16和第一热电偶15分别测量入口气流的静压和温度，设置在出口稳流段14的第二测压管18和第二热电偶17分别测量出口气流的静压和温度，设置在靶面4的第三热电偶19测量靶面4温度，同时采用红外热像仪23测量靶面4温度场，第三热电偶19与红外热像仪23点场结合的方式能获得更高精度的温度测试数据，通过调节大功率短路加热器21电流电压大小控制靶面4热流密度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明试验装置能够提高燃烧室换热试验工况(压力温度条件)，试验装置入口稳定段1和出口稳定段14均通过保压检测；试验装置各部件的安装均考虑密封性要求；试验过程中通过第一测压管16和第二测压管18测量进出口压力，并通过调节冷却工质进出口管道阀门使试验装置内部达到一定压力并保持稳态；试验过程中通过第一热电偶15测量入口段温度，如有需要对冷却工质进行加热至一定温度。提高了试验装置所能提供的试验工况范围，使燃烧室衬套冲击冷却的换热试验研究更加贴近实际工况，提高了换热试验研究结果的准确性。
(2)本发明试验装置考虑了燃烧室衬套冷却高热流量的特点，为了达到等效的热侧靶面热边界条件，采用大功率短路加热器21来提供均匀的高热流密度，通过高电流和低电压值的调节来供应不同的热流密度。这时在测量时，外部环境与加热的靶面4的大温差导致靶面4散热将很大，需要科学合理地修正导热损失。
(3)本发明试验装置满足试验密封性要求，试验装置各部件安装采用了石棉耐高温密封垫与耐高温密封胶结合的密封方法，在中高温环境下满足了试验的密封性要求，同时可应用于其他要求密封的高热流量试验装置。
(4)本发明试验装置靶面4温度的测量数据精确度高，高热流量环境下外部环境与加热靶面的大温差导致靶面4散热将很大，需要科学合理地修正导热损失，试验装置利用高效保温材料做好保温措施，降低加热靶面导热损失；同时采用第三热电偶19和红外热像仪23点场结合来获取高精度的温度测量数据，测量过程中尽量使红外热像仪23处于“黑室”以减少环境光强因素的干扰，米字型布置的第三热电偶19测量的温度进一步修正红外热像仪23的测量数据，可以获得更高精度的测量结果。
(5)本发明试验装置解决了靶面4保温与电绝缘问题。保温板5设置有内部腔室5-3，并在内部腔室5-3安装靶面4。保温板5底部设置的导热柱通孔5-1便于靶面4与大功率短路加热器21的连接，米字型通孔5-1便于第三热电偶19的安装。整个保温板5采用耐高温的绝缘材料云母，可以起到保温隔热和电绝缘的作用。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是靶面4结构示意图，图(a)为正视图，图(b)为侧视图。
图3是保温板5结构图示意图，图(a)为正视图，图(b)为侧视图，图(c)为图(a)的C-C截面图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，包括入口稳流段1、射流孔板3、中间腔体8及出口稳流段14，入口稳流段1下方设置射流孔板3，入口稳流段1通过法兰和中间腔体8上部连接，通过射流孔板3使入口稳流段1和中间腔体8内腔相通，中间腔体8底部通过螺栓连接固定底板10，中间腔体8内部设置靶面4，靶面4下方设置有保温板5，中间腔体8侧面通过连接法兰12连接出口稳流段14。
所述的入口稳流段1内部设置有蜂窝整流装置2，蜂窝整流装置2由纵横交叉的金属薄片构成，促使冷却空气形成均匀流动。
所述的射流孔板3的位置由入口稳定段1和中间腔体8的凸缘固定，射流孔板3上设置有不同排布的阵列通孔，试验通过更换射流孔板3实现不同排布的阵列冲击靶面试验。
所述的保温板5设置在中间腔体8内侧，通过射流孔板3和固定底板10固定。
所述的入口稳定段1和出口稳定段14侧面均设置有引压孔。
所述的入口稳流段1与中间腔体8采用第一石棉耐高温密封垫7和耐高温密封胶进行密封，满足了试验的密封性要求；所述的中间腔体8与固定底板10采用第二石棉耐高温密封垫9和耐高温密封胶进行密封，满足了试验的密封性要求；所述的中间腔体8与连接法兰12采用第三石棉耐高温密封垫11和耐高温密封胶进行密封，满足了试验的密封性要求；所述的连接法兰12与出口稳流段14采用第四石棉耐高温密封垫13和耐高温密封胶进行密封，满足了试验的密封性要求。
如图1、图2所示，所述的靶面4为不锈钢金属薄片，表面连接有米字型排布的第三热电偶19，第三热电偶19信号输出与数据采集中心22的连接，底部设置有黄铜导热柱6，黄铜导热柱6连接大功率短路加热器21实现靶面4加热，米字型排布的第三热电偶19用来测量靶面4温度。
所述的靶面4形状包括平面、圆弧面及具有复杂粗糙单元的粗糙靶面。
如图3所示，所述的保温板5底部设置导热柱通孔5-1和米字型通孔5-2，靶面4上连接的黄铜导热柱6通过保温板5的导热柱通孔5-1伸出，再连接大功率短路加热器21，米字型通孔5-2以便于第三热电偶19的安装布置。
所述的保温板5的内部腔室5-3安装靶面4，保温板5采用耐高温的绝缘材料云母，可以起到保温隔热和电绝缘的作用，降低了加热靶面4导热损失。
如图1所示，基于所述试验装置的冲击冷却换热效果的试验方法，包括以下步骤：
步骤一、在入口稳定段1侧面设置第一测压管16与第一热电偶15；在出口稳定段14侧面设置第二测压管18与第二热电偶17；在入口稳定段1的蜂窝整流装置2后设置热线风速仪20的测速探针；在试验装置上方安装红外热像仪23；黄铜导热柱6连接大功率短路加热器21；靶面4设置第三热电偶19，热电偶、测压管所得数据均输入到数据采集中心22；
步骤二、冷却空气进入入口稳定段1，经过蜂窝整流装置2稳流后通过射流孔板3形成阵列射流冲击下部加热的靶面4，流经由中间腔体8、射流孔板3、靶面4形成的射流空间后，通过出口稳定段14流出；
步骤三、热线风速仪20的测速探针测量入口稳流段1稳流后气流的脉动速度；设置在入口稳流段1的第一测压管16和第一热电偶15分别测量入口气流的静压和温度，设置在出口稳流段14的第二测压管18和第二热电偶17分别测量出口气流的静压和温度，测量的进出口压力一方面用于调节冷却工质进出口管道阀门使试验装置内部达到一定压力并保持稳态，另一方面用于分析燃烧室衬套冷却冷气的压损；设置在靶面4的第三热电偶19测量靶面4温度，同时采用红外热像仪23测量靶面4温度场，第三热电偶19与红外热像仪23点场结合的方式可以获得更高精度的温度测试数据，测量过程中尽量使红外热像仪23处于“黑室”以减少环境光强因素的干扰，米字型布置的第四热电偶19测量的温度进一步修正红外热像仪23的测量数据，可以获得更高精度的测量结果；通过调节大功率短路加热器21电流电压大小控制靶面4热流密度。

Claims (6)

1.面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，包括入口稳流段(1)，其特征在于：入口稳流段(1)下方设置射流孔板(3)，入口稳流段(1)和中间腔体(8)上部连接，通过射流孔板(3)使入口稳流段(1)和中间腔体(8)内腔相通，中间腔体(8)底部连接固定底板(10)，中间腔体(8)内部设置靶面(4)，靶面(4)下方设置有保温板(5)，中间腔体(8)侧面连接出口稳流段(14)；
所述的靶面(4)为不锈钢金属薄片，表面连接有米字型排布的第三热电偶(19)，第三热电偶(19)信号输出与数据采集中心(22)的连接，靶面(4)底部设置有黄铜导热柱(6)，黄铜导热柱(6)连接大功率短路加热器(21)实现靶面(4)加热，米字型排布的第三热电偶(19)用来测量靶面(4)温度；
所述的射流孔板(3)的位置由入口稳定段(1)和中间腔体(8)的凸缘固定，射流孔板(3)上设置有不同排布的阵列通孔，试验通过更换射流孔板(3)实现不同排布的阵列冲击靶面试验；
所述的保温板(5)设置在中间腔体(8)内侧，通过射流孔板(3)和固定底板(10)固定；
所述的保温板(5)底部设置导热柱通孔(5-1)和米字型通孔(5-2)，靶面(4)上连接的黄铜导热柱(6)通过保温板(5)的导热柱通孔(5-1)伸出，再连接大功率短路加热器(21)，米字型通孔(5-2)便于第三热电偶(19)的安装布置；
所述的保温板(5)的内部腔室(5-3)安装靶面(4)，保温板(5)采用耐高温的绝缘材料云母。
2.根据权利要求1所述的面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，其特征在于：所述的入口稳流段(1)内部设置有蜂窝整流装置(2)，蜂窝整流装置(2)由纵横交叉的金属薄片构成，促使冷却空气形成均匀流动。
3.根据权利要求1所述的面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，其特征在于：所述的入口稳定段(1)和出口稳定段(14)侧面均设置有引压孔。
4.根据权利要求1所述的面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，其特征在于：所述的入口稳流段(1)与中间腔体(8)采用第一石棉耐高温密封垫(7)和耐高温密封胶进行密封；中间腔体(8)与固定底板(10)采用第二石棉耐高温密封垫(9)和耐高温密封胶进行密封；中间腔体(8)与出口稳流段(14)采用石棉耐高温密封垫和耐高温密封胶进行密封。
5.根据权利要求1所述的面向重型燃机燃烧室衬套冲击冷却的高热流量换热试验装置，其特征在于：所述的靶面(4)形状包括平面、圆弧面及具有复杂粗糙单元的粗糙靶面。
6.基于权利要求1所述试验装置的冲击冷却换热效果的试验方法，包括以下步骤：
步骤一、在入口稳定段(1)侧面设置第一测压管(16)与第一热电偶(15)；在出口稳定段(14)侧面设置第二测压管(18)与第二热电偶(17)；在入口稳定段(1)的蜂窝整流装置(2)后设置热线风速仪(20)的测速探针；在试验装置上方安装红外热像仪(23)；黄铜导热柱(6)连接大功率短路加热器(21)；靶面(4)设置第三热电偶(19)，热电偶、测压管所得数据均输入到数据采集中心(22)；
步骤二、冷却空气进入入口稳定段(1)，经过蜂窝整流装置(2)稳流后通过射流孔板(3)形成阵列射流冲击下部加热的靶面(4)，流经由中间腔体(8)、射流孔板(3)、靶面(4)形成的射流空间后，通过出口稳定段(14)流出；
步骤三、热线风速仪(20)的测速探针测量入口稳流段(1)稳流后气流的脉动速度；设置在入口稳流段(1)的第一测压管(16)和第一热电偶(15)分别测量入口气流的静压和温度，设置在出口稳流段(14)的第二测压管(18)和第二热电偶(17)分别测量出口气流的静压和温度，设置在靶面(4)的第三热电偶(19)测量靶面(4)温度，同时采用红外热像仪(23)测量靶面(4)温度场，第三热电偶(19)与红外热像仪(23)点场结合的方式能获得更高精度的温度测试数据，通过调节大功率短路加热器(21)电流电压大小控制靶面(4)热流密度。
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