CN113006881B - 一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统及方法，包括主流通道、叶片前缘实验段、二次流冷却系统和红外热成像系统；所述主流通道的内腔中通有加热后的空气，所述主流通道的出口连接叶片前缘实验段；所述叶片前缘实验段的内腔中放置有叶片前缘双旋流冲击实验件；所述二次流冷却系统包括空气支路和高密度气体支路，所述空气支路和高密度气体支路的出口连接集气室，所述集气室的出口伸入叶片前缘双旋流冲击实验件的内腔中，所述集气室的出口上设有第一球阀；所述红外热成像系统监测叶片前缘双旋流冲击实验件的表面温度场分布。本发明结构简单，成本较低，搭建方便，为未来燃气轮机的先进冷却设计提供了参考依据。

Description

一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统及方法

技术领域

本发明属于燃气轮机前缘冷却换热技术领域，具体属于一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统及方法。

背景技术

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。燃气初温是影响燃气轮机效率的重要因素，燃气初温的升高对于提高燃气轮机的效率具有重要意义。目前，航空发动机透平进口温度则超过了1800℃，以纯氢作为燃料的未来级重型燃气轮机的透平进口初温也将达到1700℃，这对燃机热端部件的耐温性能提出了更高要求，尤其对透平前缘的冷却性能带来了极大的挑战。

在传统的叶片前缘内，冷却气体冲击至叶片内壁面，通过热传导作用吸收热量从而降低了叶片前缘的温度，避免了叶片的烧蚀并提高了叶片的使用寿命，在前缘布置气膜孔则可以进一步提高前缘的冷却效率。最近有国外研究学者提出了一种双旋流冲击的透平前缘冷却技术：冷却气体从叶根位置进入前缘供气腔室，通过冲击孔流进双旋流腔室，在腔室几何形状的引导下形成双旋流的流动状态。该冷却技术由于减小了边界层的厚度，因此与传统的垂直冲击技术相比具有冷却效率高的特点，此外还具有温度分布相对均匀以及受冲击腔室横流影响小等优点。因此，通过实验方式对叶片前缘双旋流冷却技术开展机理研究尤为重要。另外，密度比(冷却剂与主流的密度比值)对于前缘的冷却效果影响显著，采用实验方式对其影响规律开展研究同样具有重要意义。

然而通过文献检索发现，目前国内外尚无关于叶片前缘双旋流冲击冷却实验研究的公开报道，实验机理研究仅局限在传统的垂直冲击冷却研究，其中传统的垂直冲击冷却研究无法揭示双旋流冷却技术的冷却机理，而且目前还没有以实验手段有效揭示双旋流冷却技术的冷却机理，使得燃气轮机的先进冷却技术的研究得到阻碍。因此，设计合理的实验系统开展叶片前缘双旋流冷却特性研究尤为重要。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统及方法，解决目前没有实验手段有效揭示双旋流冷却技术的冷却机理的问题，填补实验手段揭示双旋流冷却技术的冷却机理的空白。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，包括主流通道、叶片前缘实验段、二次流冷却系统和红外热成像系统；

所述主流通道的内腔中通有加热后的空气，所述主流通道的出口连接叶片前缘实验段；

所述叶片前缘实验段的内腔中放置有叶片前缘双旋流冲击实验件；

所述二次流冷却系统包括空气支路和高密度气体支路，所述空气支路和高密度气体支路的出口连接集气室，所述集气室的出口伸入叶片前缘双旋流冲击实验件的内腔中，所述集气室的出口上设有第一球阀；

所述红外热成像系统监测叶片前缘双旋流冲击实验件的表面温度场分布。

进一步的，所述主流通道包括第一扩张段，所述第一扩张段的一端连接有离心风机的出口，所述第一扩张段的另一端连接加热段，所述加热段的内腔设置有加热器。

进一步的，所述主流通道还包括稳流段，所述加热段通过第二扩张段和稳流段连接，所述稳流段还和收缩段连接，所述收缩段的出口和叶片前缘实验段的入口连接，所述稳流段内设有蜂窝网和阻尼网，所述蜂窝网和阻尼网平行排列。

进一步的，所述收缩段的入口和稳流段连接，所述收缩段的入口直径大于收缩段的出口直径；所述第二扩张段、稳流段和收缩段的外侧均包裹有石棉。

进一步的，所述红外热成像系统包括红外光学热成像仪和红外拍摄窗口，所述红外拍摄窗口设在叶片前缘实验段上，所述红外拍摄窗口位于叶片前缘双旋流冲击实验件的换热端的45°方向，所述红外光学热成像仪设在红外拍摄窗口的外侧，所述红外光学热成像仪的检测端位于叶片前缘双旋流冲击实验件的换热端的45°方向上。

进一步的，所述空气支路包括依次连接的螺杆空压机、稳压罐、涡街流量计、第一温度和压力测量装置和电动调节阀，所述电动调节阀的出口和集气室的入口连接。

进一步的，所述高密度气体支路包括依次连接的气瓶、汇流排、释压阀、质量流量计、第二温度和压力测量装置和第二球阀，所述第二球阀的出口连接集气室的入口。

进一步的，所述气瓶内装有六氟化硫或二氧化碳气体。

进一步的，所述叶片前缘实验段的壁面上设有温度测量装置，所述温度测量装置靠近主流通道的出口。

本发明提供一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试的方法，采用上述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，包括以下过程：

主流通道将经加热的空气送入叶片前缘实验段形成高温主流，高温主流加热叶片前缘双旋流冲击实验件的外表面；

二次流冷却系统中的空气支路和高密度气体支路将不同种类的气体在集气室中混合，形成不同密度的冷却混合空气，打开第一球阀，不同密度的冷却混合空气输送至叶片前缘双旋流冲击实验件内腔中参与叶片前缘双旋流冲击实验件的冷却换热；

通过红外热成像系统获得叶片前缘双旋流冲击实验件表面的温度场分布，得到叶片前缘双旋流冲击实验件的冷却机理。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供了一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，主流通道的出口连接叶片前缘实验段的入口，实验段内布置有叶片前缘双旋流冲击实验件；红外光学热成像系统正对叶片前缘双旋流冲击实验件的实验观测区域；二次流冷却系统设置有两条支路，分别为空气支路和高密度气体支路，两条支路在集气室汇聚，最终通过第一球阀连接至叶片前缘双旋流冲击实验件的内腔中，在测试时，主流通道将经过加热后的空气送入叶片前缘实验段内形成高温主流，加热叶片前缘双旋流冲击实验件外表面，与此同时，二次流冷却系统的两个支路将不同种类的气体以一定比例在集气室混合，形成不同密度的冷却混合空气后流经球阀输送至叶片前缘双旋流冲击实验件内部参与叶片前缘冷却换热，实现了不同密度比工况的实验条件，开启红外热成像系统能够获得叶片前缘双旋流冲击实验件外表面换热区域的温度场分布，该实验系统能够在实验室条件下通过控制吹风比、密度比等关键参数获得与燃气轮机真实工况下近似的叶片表面温度分布，在低温、低压、低速实验室条件下分析该冷却技术的冷却潜质，为未来燃气轮机的先进冷却设计提供了参考依据，而且本发明的实验系统结构简单，成本较低，搭建方便，能够对不同密度比工况下的叶片前缘双旋流冲击冷却开展实验机理研究。

进一步的，主流通道还包括稳流段，在加热后的空气通过蜂窝网和阻尼网的整流作用后，降低了湍流度，使得加热的空气的流态稳定能够得到更加稳定的数据，利于实验进行，得到的实验数据参考价值更高。

进一步的，主流通道出口处为收缩段，收缩段的入口直径大于收缩段的出口直径，能够避免气流发生流动分离的同时使气流加速流入叶片前缘实验段中，达到实验中的工况要求，提高实验效率，而且在第二扩张段、稳流段和收缩段的外侧包裹石棉，能够减少加热空气的热量流失，提高能源利用率。

进一步的，空气支路中的空压机直接采用空气作为冷却空气，经稳压罐稳定空气的压力，然后通过涡街流量计和电动调节阀控制流入集气室中的流量，从而控制集气室中混合冷空气的密度，从而实现不同密度比的工况需求，而且本实验系统的空气取用方便，成本较低，输入集气室中稳定的空气，能够得到更加稳定的实验数据，有利于实验数据的准确性。

进一步的，高密度气体支路中的汇流排将高密度气体通过释压阀降低高密度气体的压力，然后通过质量流量计和第二球阀的配合控制流入集气室中的高密度气体的流量，从而控制集气室中混合冷空气的密度，从而实现不同密度比的工况需求，而且整个结构简单，成本较低，高密度气体的压力降低有利于本实验系统的安全稳定可靠进行。

进一步的，通过叶片前缘实验段上设置温度测量装置，能够测得加热空气的温度而得到加热空气的密度，从而调控加热空气的温度改变加热空气的密度，从而实现不同密度比的工况需求。

本发明还提供一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试的方法，主流通道内的加热空气进入叶片前缘实验段，形成高温主流。与此同时，二次流冷却系统中两条支路将不同密度气体以一定比例输送至集气室内，待气体充分混合后流经球阀进入叶片前缘双旋流冲击实验件的供气腔室内，实现了不同密度比工况的实验条件。开启红外热成像系统，可获得叶片前缘双旋流冲击实验件外表面换热区域的温度场分布。该方法可应用于燃气轮机叶片前缘双旋流冲击冷却机理研究中，为未来燃气轮机的先进冷却设计提供了参考依据。

附图说明

图1为本实验测试系统的整体图；

图2为叶片前缘双旋流冲击实验件俯视结构示意图；

图3为叶片前缘双旋流冲击实验件三维结构示意图；

附图中：1-离心风机，2-第一扩张段，3-加热段，4-加热器，5-第二扩张段，6-稳流段，7-蜂窝网，8-阻尼网，9-收缩段，10-温度测量装置，11-叶片前缘实验段，12-叶片前缘双旋流冲击实验件，13-气瓶，14-汇流排，15-释压阀，16-质量流量计，17-第二温度和压力测量装置，18-第一球阀，19-集气室，20-第二球阀，21-螺杆空压机，22-稳压罐，23-涡街流量计，24-第一温度和压力测量装置，25-电动调节阀，26-红外拍摄窗口，27-红外光学热成像仪，28-供气腔室，29-冲击孔，30-双旋流腔室，31-气膜孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供了一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，包括主流通道、叶片前缘实验段11、二次流冷却系统和红外热成像系统；其中，主流通道的出口与叶片前缘实验段11的入口采用法兰连接；叶片前缘实验段11框架由有机玻璃制造，其内布置有叶片前缘双旋流冲击实验件12和温度测量装置10；实验件前侧45°方向设置有红外拍摄窗口26，红外光学热成像仪27可通过窗口正对实验观测区域测量温度；二次流冷却系统设置有两条支路，分别为空气支路和高密度气体支路，两条支路在集气室19汇聚，最终通过第一球阀18连接至叶片前缘双旋流冲击实验件12；工作状态时，主流通道系统将经过加热和整流后的空气送入叶片前缘实验段11内形成高温主流，加热叶片前缘双旋流冲击实验件12外表面；二次流冷却系统的两个支路将不同种类的气体以一定比例在集气室19混合，形成不同密度的冷却空气后输送至叶片前缘双旋流冲击实验件12内部参与叶片前缘冷却换热；红外光学热成像仪27可通过红外拍摄窗口26获得叶片前缘双旋流冲击实验件12表面的温度场分布。

如图2和图3所示，在本实施例中，叶片前缘双旋流冲击实验件12包括实验件本体，实验件本体上开设有供气腔室28和双旋流腔室30，供气腔室28的侧壁上开设有若干个冲击孔29，冲击孔29连通供气腔室28和双旋流腔室30，双旋流腔室30的壁面上设有若干个气膜孔31，气膜孔31贯通双旋流腔室30的壁面，开设有气膜孔31的表面为叶片前缘双旋流冲击实验件12的换热端，冷却混合空气通过第一球阀18进入供气腔室28，通过冲击孔29至双旋流腔室30壁面，随后通过气膜孔31排入主流，从而进一步的提高冷却效率。

具体的，所述的主流通道包括依次连接的离心风机1、第一扩张段2、加热段3、第二扩张段5、稳流段6、收缩段9并依次采用法兰连接，其中，加热段3内设置有加热器4，离心风机1吹出冷空气后，经过加热器4加热进入稳流段6，所述稳流段6内设有蜂窝网7和阻尼网8，蜂窝网7和阻尼网8平行排列，在加热的空气经过蜂窝网7和阻尼网8后降低湍流度；在本实施例中，收缩段9为收缩状，收缩段9的入口直径大于收缩段9的出口直径。

优选的，在第二扩张段5、稳流段6和收缩段9外侧包装石棉起到保温作用。

具体的，空气由离心风机1吹入后经第一扩张段2进入加热段3，经过加热器4加热后成为高温气体，流经第二扩张段5进入稳流段6，在蜂窝网7和阻尼网8的整流作用下降低了湍流度，随后通过收缩段9形成温度及流态稳定的高温主流并进入叶片前缘实验段11。

在本实施例中，叶片前缘实验段11上设有温度测量装置11，所述温度测量装置11靠近主流通道的出口，温度测量装置11检测吹出主流通道的加热空气的温度，从而得出加热空气的密度，而进行相应的调节，改变加热空气温度进而改变加热空气的密度，适于不同密度比的工况需求，本实施例中，叶片前缘实验段11上设有红外拍摄窗口26，红外拍摄窗口26位于叶片前缘双旋流冲击实验件12的换热端的45°方向，红外光学热成像仪27设在红外拍摄窗口26的外侧，所述红外光学热成像仪27的检测端位于叶片前缘双旋流冲击实验件12的换热端的45°方向上，通过红外光学热成像仪27获得叶片前缘双旋流冲击实验件12表面的温度场分布；

在本实施例中，二次流冷却系统，由空气支路和高密度气体支路组成。其中，空气支路由螺杆空压机21、稳压罐22、涡街流量计23、第一温度和压力测量装置24、电动调节阀25组成，高密度气体支路由气瓶13、汇流排14、释压阀15、质量流量计16、第二温度和压力测量装置17、第二球阀20组成。空气由螺杆空压机21鼓入进入空气支路中，经过涡街流量计23的流量测量、第一温度和压力测量装置24的温压校正和电动调节阀25的流量调整后进入集气室19；与此同时，装有六氟化硫或二氧化碳的气瓶13释放出高密度气体，在汇流排14内汇流后分别经过释压阀15、质量流量计16、第二温度-压力测量装置17和第二球阀20后进入集气室19，与空气混合后形成不同密度的混合气体，通过第一球阀18进入叶片前缘双旋流冲击实验件12作为冷却介质从而实现实验对不同密度比的工况需求。

采用本发明的实验系统，通过测温装置能够测得不同气体的温度以及实验件的温度场分布，通过风速仪能够测得每种气体的流速，测量冲击孔29的直径能够得出特征长度等，从而通过公式转换能够得出雷诺数等关键参数及准则数获得与燃气轮机真实工况下近似的叶片表面温度分布，在低温、低压、低速实验室条件下分析该冷却技术的冷却潜质，为未来燃气轮机的先进冷却设计提供参考依据。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，其特征在于，包括主流通道、叶片前缘实验段（11）、二次流冷却系统和红外热成像系统；

所述主流通道的内腔中通有加热后的空气，所述主流通道的出口连接叶片前缘实验段（11）；

所述叶片前缘实验段（11）的内腔中放置有叶片前缘双旋流冲击实验件（12）；

所述二次流冷却系统包括空气支路和高密度气体支路，所述空气支路和高密度气体支路的出口连接集气室（19），所述集气室（19）的出口伸入叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的内腔中，所述集气室（19）的出口上设有第一球阀（18）；

所述红外热成像系统监测叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的表面温度场分布；所述主流通道包括第一扩张段（2），所述第一扩张段（2）的一端连接有离心风机（1）的出口，所述第一扩张段（2）的另一端连接加热段（3），所述加热段（3）的内腔设置有加热器（4）；所述主流通道还包括稳流段（6），所述加热段（3）通过第二扩张段（5）和稳流段（6）连接，所述稳流段（6）还和收缩段（9）连接，所述收缩段（9）的出口和叶片前缘实验段（11）的入口连接，所述稳流段（6）内设有蜂窝网（7）和阻尼网（8），所述蜂窝网（7）和阻尼网（8）平行排列；所述红外热成像系统包括红外光学热成像仪（27）和红外拍摄窗口（26），所述红外拍摄窗口（26）设在叶片前缘实验段（11）上，所述红外拍摄窗口（26）位于叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的换热端的45°方向，所述红外光学热成像仪（27）设在红外拍摄窗口（26）的外侧，所述红外光学热成像仪（27）的检测端位于叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的换热端的45°方向上。

2.根据权利要求1所述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，其特征在于，所述收缩段（9）的入口和稳流段（6）连接，所述收缩段（9）的入口直径大于收缩段（9）的出口直径；所述第二扩张段（5）、稳流段（6）和收缩段（9）的外侧均包裹有石棉。

3.根据权利要求1所述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，其特征在于，所述空气支路包括依次连接的螺杆空压机（21）、稳压罐（22）、涡街流量计（23）、第一温度和压力测量装置（24）和电动调节阀（25），所述电动调节阀（25）的出口和集气室（19）的入口连接。

4.根据权利要求1所述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，其特征在于，所述高密度气体支路包括依次连接的气瓶（13）、汇流排（14）、释压阀（15）、质量流量计（16）、第二温度和压力测量装置（17）和第二球阀（20），所述第二球阀（20）的出口连接集气室（19）的入口。

5.根据权利要求4所述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，其特征在于，所述气瓶（13）内装有六氟化硫或二氧化碳气体。

6.根据权利要求1所述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，其特征在于，所述叶片前缘实验段（11）的壁面上设有温度测量装置（10），所述温度测量装置（10）靠近主流通道的出口。

7.一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试的方法，其特征在于，采用权利要求1-6任意一项所述的一种叶片前缘双旋流冲击冷却实验测试系统，包括以下过程：

主流通道将经加热的空气送入叶片前缘实验段（11）形成高温主流，高温主流加热叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的外表面；

二次流冷却系统中的空气支路和高密度气体支路将不同种类的气体在集气室（19）中混合，形成不同密度的冷却混合空气，打开第一球阀（18），不同密度的冷却混合空气输送至叶片前缘双旋流冲击实验件（12）内腔中参与叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的冷却换热；

通过红外热成像系统获得叶片前缘双旋流冲击实验件（12）表面的温度场分布，得到叶片前缘双旋流冲击实验件（12）的冷却机理。

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