CN113588234B - 一种涡轮动叶旋转综合冷效测试方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统，包括涡轮盘以及分别与涡轮盘相连通的涡轮动叶和涡轮轴，涡轮动叶表面开设有若干气膜孔，涡轮轴的一端通过连通管连通有储气罐；涡轮动叶上设置有第一测量部，连通管连接有第二测量部，涡轮动叶一侧设置有第三测量部，第一测量部、第二测量部和第三测量部分别电性连接有同一控制接收单元；第一测量部包括设置在若干气膜孔之间的第一热电偶，第一热电偶电性连接有第一数据采集与转换单元，第一数据采集与转换单元电性连接有信号滑环，信号滑环固定在涡轮轴一端，信号滑环与控制接收单元电性连接；本发明结构简单操作便捷，实现了在旋转状态下测量涡轮叶片全表面的综合冷效。
Description
技术领域
本发明涉及旋转涡轮叶片实验测试领域，特别是涉及一种涡轮动叶旋转综合冷效测试方法和系统。
背景技术
燃气轮机是现代飞机的心脏，现代高性能航空发动机的推力需求日益增加，而燃气轮机的工作循环表明其效率与循环比功提高的途径之一就是提高涡轮进口温度。提高涡轮进口温度意味着涡轮热端部件需要承受更高燃气温度带来的不利影响，因此，高效冷却技术成为了涡轮叶片换热的重要研究领域。
目前各种高效冷却方式被广泛应用在航空发动机涡轮叶片中，主要包括外部冷却以及内部冷却技术。气膜冷却作为目前涡轮叶片重要的外部冷却方式，为了衡量气膜冷却效果提出了综合冷却效率，也就是综合冷效。在实际的涡轮叶片设计时，最重要的参数就是壁面的温度，壁面温度决定了热端部件的使用寿命和可靠性。综合冷效表示了热端部件表面无量纲温度，可以为冷却设计提供直接的分析数据。综合冷效是涡轮叶片冷却结构有效性的核心评价指标，所以在涡轮叶片设计过程中，对其进行综合冷却效果试验是必不可少的。因此，对涡轮叶片综合冷效试验方法进行系统的研究具有十分重要的意义。
目前，受实验条件、拍摄方法和测试技术的限制，国内外对综合冷效的研究主要针对静止状态下的平板和涡轮叶片展开，现有技术中一般用红外相机进行测量，但红外相机体积较大，一般只能在静止状态下对叶片表面进行拍摄，旋转状态下很难实现同步拍摄。因此亟需一种体积小，布置灵活，能够在旋转状态下同步测量的综合冷效测试系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种涡轮动叶旋转综合冷效测试方法和系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统，包括涡轮盘以及分别与所述涡轮盘上下两端相连通的涡轮动叶和涡轮轴，所述涡轮动叶表面开设有若干气膜孔，所述涡轮轴为中空结构，所述涡轮轴的一端通过连通管连通有储气罐。
所述涡轮动叶上设置有第一测量部，所述连通管连接有用于测量冷气通过时温度的第二测量部，所述涡轮动叶一侧设置有用于测量燃气温度的第三测量部，所述第二测量部和第三测量部均电性连接有控制接收单元。
所述第一测量部包括设置在若干所述气膜孔之间的第一热电偶，所述第一热电偶电性连接有第一数据采集与转换单元，所述第一数据采集与转换单元电性连接有信号滑环，所述信号滑环固定在所述涡轮轴远离所述连通管的一端，所述信号滑环与所述控制接收单元电性连接。通过若干第一热电偶对通入冷气后的涡轮动叶壁面进行温度测量，得到平均温度，并将数据传递至第一数据采集与转换单元，然后经过信号滑环传输到控制接收单元。控制接收单元根据三个采集到的数据进行计算得到涡轮动叶转动过程中的综合冷效数据。
优选的，所述第二测量部包括与所述连通管固定连接的第二热电偶，所述第二热电偶电性连接有第二数据采集与转换单元，所述第二数据采集与转换单元与所述控制接收单元电性连接。通过第二热电偶测量冷气通入时的温度，并将数据经第二数据采集与转换单元传递至控制接收单元中。
优选的，所述第三测量部包括第三热电偶，所述第三热电偶固定设置在外机匣内，所述第三热电偶电性连接有第三数据采集与转换单元，所述第三数据采集与转换单元与所述控制接收单元电性连接。利用第三热电偶直接热量燃气的温度，并将数据经第三数据采集与转换单元传递至控制接收单元中。
优选的，所述涡轮轴与所述连通管之间固定设置有旋转进气接头；便于冷气进入涡轮轴。
优选的，所述涡轮动叶内开设有中空通道，所述第一热电偶通过所述中空通道与所述第一数据采集与转换单元电性连接；方便第一热电偶与第一数据采集与转换单元的连通，避免因涡轮动叶的旋转而意外断开。
优选的，所述涡轮盘上对称开设有若干凹槽，每个所述凹槽内设置有所述第一数据采集与转换单元，增强第一数据采集与转换单元的稳定性，使其不易脱落。
优选的，所述气膜孔分为若干第一列气膜孔组和第二气膜孔组，所述第一气膜孔组和第二气膜孔组间隔设置，所述第一气膜孔组中的所述气膜孔与所述第二气膜孔组中的所述气膜孔交错设置，所述第一气膜孔组和所述第二气膜孔组之间设置有两个所述第一热电偶的焊点，其中一个所述第一热电偶的焊点与所述第一气膜孔组中的一个所述气膜孔水平设置，另一个所述第一热电偶的焊点与所述第二气膜孔组中的一个所述气膜孔水平设置；能够准确测得垂直线上的温度，增加测得数据的准确性。
一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：将加工有气膜孔的涡轮动叶安装在涡轮盘上，将涡轮盘安装在涡轮轴上；
步骤二：利用第三测量部测量燃气温度，测得温度为T∞。
步骤三：利用第二测量部对冷气进行测温，测得温度为TC。
步骤四:将储气罐中的冷气通入中空涡轮轴，若干第一热电偶对冷却后的涡轮动叶的壁面进行测温，取平均温度作为测温结果，测得温度为TW，第一热电偶将信号传递给第一数据采集与转换单元，经信号滑环传输至控制接收单元中；
步骤五：控制接收单元进行计算得到综合冷效数据，所述综合冷效的计算表达式为η：
其中，η为综合冷效，T∞为燃气温度，TC为冷气温度，TW为通入冷气后涡轮动叶壁面的温度。
优选的，步骤二中，将外机匣置于无冷气环境，利用第三热电偶测量燃气温度，测得温度为T∞，然后将测得的数据经第三数据采集与转换单元传输到控制接收单元中。
优选的，步骤三中，将储气罐打开，使冷气流入连通管，利用第二热电偶对冷气进行测温，测得的温度为TC，第二热电偶将信号经过第二数据采集与转换单元传输到控制接收单元中。
本发明公开了以下技术效果：本发明通过在没有干扰的地方布置第三热电偶，直接测量燃气的温度，然后利用第二热电偶直接测量冷气出来时壁面的温度，同时使冷气依次经、旋转进气接头、涡轮轴、涡轮盘进入涡轮动叶，然后通过涡轮动叶的冷通道从气膜孔射出，利用气膜孔周边的第一热电偶测量冷却后壁面的温度，将三个数据传递到控制接收单元进行计算得到综合冷效数据，本发明利用热电偶进行综合冷效的测试，热电偶具有体积小布置灵活的特点，能够在旋转状态下对涡轮动叶综合冷效进行测试。本发明提供的测试方法，步骤简单，操作方便，便捷的实现了在旋转状态下测量涡轮叶片全表面的综合冷效，解决了现有技术中旋转涡轮叶片表面综合冷效无法测量的难题，为研究旋转状态下涡轮叶片气膜冷却和覆盖效果提供了有效手段。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明涡轮动叶旋转综合冷效测试系统示意图；
图2为本发明气膜孔与热电偶分布示意图；
图3为本发明涡轮盘与第一数据采集与转换单元位置示意图；
其中：1-涡轮盘，2-涡轮动叶，3-气膜孔，4-第一热电偶，5-第一数据采集与转换单元，6-涡轮轴，7-信号滑环，8-控制接收单元，9-储气罐，10-连通管，11-第二热电偶，12-第二数据采集与转换单元，13-第三热电偶，14-外机匣，15-第三数据采集与转换单元，16-旋转进气接头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3，本发明提供一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统，包括涡轮盘1以及分别与涡轮盘1上下两端相连通的涡轮动叶2和涡轮轴6，涡轮动叶2表面开设有若干气膜孔3，涡轮轴6为中空结构，涡轮轴6的一端通过连通管10连通有储气罐9；
涡轮动叶2上设置有第一测量部，连通管10连接有用于测量冷气通过时温度的第二测量部，涡轮动叶2一侧设置有用于测量燃气温度的第三测量部，第二测量部和第三测量部均电性连接有控制接收单元8；
第一测量部包括设置在若干气膜孔3之间的若干个第一热电偶4，第一热电偶4电性连接有第一数据采集与转换单元5，第一数据采集与转换单元5电性连接有信号滑环7，信号滑环7固定在涡轮轴6远离连通管10的一端，信号滑环7与控制接收单元8电性连接。打开储气罐9后，冷气依次经过涡轮轴6、涡轮盘1进入涡轮动叶2的冷通道中，然后经涡轮动叶2上的气膜孔3喷出，利用第一热电偶4进行测温，取平均值记为TW，然后将数据传递至第一数据采集与转换单元5，配合第二测量部和第三测量部测得的数据进行计算，得到综合冷效数据，实现了在旋转过程中对涡轮动叶2综合冷效的测试；此外，控制接收单元8能够通过信号滑环7控制涡轮轴6的转速。
进一步优化方案为，第二测量部包括与连通管10固定连接的第二热电偶11，第二热电偶11电性连接有第二数据采集与转换单元12，第二数据采集与转换单元12与控制接收单元8电性连接。
进一步优化方案为，第三测量部包括第三热电偶13，第三热电偶13固定设置在外机匣14内，第三热电偶13电性连接有第三数据采集与转换单元15，第三数据采集与转换单元15与控制接收单元8电性连接。
进一步优化方案为，涡轮轴6与连通管10之间固定设置有旋转进气接头16，便于储气罐9中的冷气顺利进入涡轮轴6中，保证冷气能够顺利对涡轮动叶2进行冷却。
进一步优化方案为，涡轮动叶2内开设有中空通道，第一热电偶4通过中空通道与第一数据采集与转换单元5电性连接；便于第一热电偶4和第一数据采集与转换单元5的连接，避免在外侧连接对涡轮动叶2的转动产生干扰。
进一步优化方案为，涡轮盘1上对称开设有若干凹槽，每个凹槽内设置有第一数据采集与转换单元5，便于第一数据采集与转换单元5的安装，使第一数据采集与转换单元5不会因涡轮盘1的转动而脱落。
进一步优化方案为，气膜孔3分为若干第一列气膜孔组和第二气膜孔组，第一气膜孔组和第二气膜孔组间隔设置，第一气膜孔组中的气膜孔3与第二气膜孔组中的气膜孔3交错设置，第一气膜孔组和第二气膜孔组之间设置有两个第一热电偶4的焊点，其中一个第一热电偶4的焊点与第一气膜孔组中的一个气膜孔3水平设置，另一个第一热电偶4的焊点与第二气膜孔组中的一个气膜孔3水平设置。两个第一热电偶4一个位于第一列气膜孔组中气膜孔3的正后方，另一个第一热电偶4位于第一列气膜孔组中两个气膜孔3中间，两个第一热电偶4的平均温度就代表这个垂直线上的温度，增加了测得数据的准确性。
一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统的方法，包括如下步骤：
步骤一：将加工有气膜孔3的涡轮动叶2安装在涡轮盘1上，将涡轮盘1安装在涡轮轴6上；
步骤二：利用第三测量部测量燃气温度，测得温度为T∞。
步骤三：利用第二测量部对冷气进行测温，测得温度为TC。
步骤四:将储气罐9中的冷气通入中空涡轮轴6，若干第一热电偶4对冷却后的涡轮动叶2的壁面进行测温，取平均温度作为测温结果，测得温度为TW，第一热电偶4将信号传递给第一数据采集与转换单元5，经信号滑环7传输至控制接收单元8中；
步骤五：控制接收单元8进行计算得到综合冷效数据，综合冷效的计算表达式为η：
其中，η为综合冷效，T∞为燃气温度，TC为冷气温度，TW为通入冷气后涡轮动叶壁面的温度。
进一步优化方案为，步骤二中，将外机匣14置于无冷气环境，利用第三热电偶13测量燃气温度，测得温度为T∞，然后将测得的数据经第三数据采集与转换单元15传输到控制接收单元8中。
进一步优化方案为，步骤三中，将储气罐9打开，使冷气流入连通管10，利用第二热电偶11对冷气进行测温，测得的温度为TC，第二热电偶11将信号经过第二数据采集与转换单元12传输到控制接收单元8中。
本发明利用第三热电偶13对燃气温度进行测量，测得温度为T∞，通过第二热电偶11对通入冷气时进行测温，测得温度为TC，通过第一热电偶4对冷却后的涡轮动叶2的壁面进行测温，取平均温度为TW，然后通过控制接收单元8按照
进行计算，得到综合冷效数据，实现了对旋转过程中涡轮动叶2的综合冷效。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统，其特征在于：包括涡轮盘(1)以及分别与所述涡轮盘(1)上下两端相连通的涡轮动叶(2)和涡轮轴(6)，所述涡轮动叶(2)表面开设有若干气膜孔(3)，所述涡轮轴(6)为中空结构，所述涡轮轴(6)的一端通过连通管(10)连通有储气罐(9)；
所述涡轮动叶(2)上设置有第一测量部，所述连通管(10)连接有用于测量冷气通过时温度的第二测量部，所述涡轮动叶(2)一侧设置有用于测量燃气温度的第三测量部，所述第二测量部和第三测量部均电性连接有控制接收单元(8)；
所述第一测量部包括设置在若干所述气膜孔(3)之间的第一热电偶(4)，所述气膜孔(3)分为若干第一气膜孔组和第二气膜孔组，所述第一气膜孔组和第二气膜孔组间隔设置，所述第一气膜孔组中的所述气膜孔(3)与所述第二气膜孔组中的所述气膜孔(3)交错设置，所述第一气膜孔组和所述第二气膜孔组之间设置有两个所述第一热电偶(4)的焊点，其中一个所述第一热电偶(4)的焊点与所述第一气膜孔组中的一个所述气膜孔(3)水平设置，另一个所述第一热电偶(4)的焊点与所述第二气膜孔组中的一个所述气膜孔(3)水平设置，所述第一热电偶(4)电性连接有第一数据采集与转换单元(5)，所述第一数据采集与转换单元(5)电性连接有信号滑环(7)，所述信号滑环(7)固定在所述涡轮轴(6)远离所述连通管(10)的一端，所述信号滑环(7)与所述控制接收单元(8)电性连接；所述涡轮动叶(2)内开设有中空通道，所述第一热电偶(4)通过所述中空通道与所述第一数据采集与转换单元(5)电性连接；
一种涡轮动叶旋转综合冷效测试方法，包括如下步骤：
步骤一：将加工有气膜孔(3)的涡轮动叶(2)安装在涡轮盘(1)上，将涡轮盘(1)安装在涡轮轴(6)上；
步骤二：利用第三测量部测量燃气温度，测得温度为
；
步骤三：利用第二测量部对冷气进行测温，测得温度为T c ；
步骤四：将储气罐(9)中的冷气通入中空涡轮轴(6)，若干第一热电偶(4)对冷却后的涡轮动叶(2)的壁面进行测温，取平均温度作为测温结果，测得温度为T w ，第一热电偶(4)将信号传递给第一数据采集与转换单元(5)，经信号滑环(7)传输至控制接收单元(8)中；
步骤五：控制接收单元(8)进行计算得到综合冷效数据，所述综合冷效的计算表达式为η：
其中，η为综合冷效，
为燃气温度，T c 为冷气温度，T w 为通入冷气后涡轮动叶壁面的
温度；
所述第二测量部包括与所述连通管(10)固定连接的第二热电偶(11)，所述第二热电偶(11)电性连接有第二数据采集与转换单元(12)，所述第二数据采集与转换单元(12)与所述控制接收单元(8)电性连接；
所述第三测量部包括第三热电偶(13)，所述第三热电偶(13)固定设置在外机匣(14)内，所述第三热电偶(13)电性连接有第三数据采集与转换单元(15)，所述第三数据采集与转换单元(15)与所述控制接收单元(8)电性连接；
所述涡轮轴(6)与所述连通管(10)之间固定设置有旋转进气接头(16)；
所述涡轮盘(1)上对称开设有若干凹槽，每个所述凹槽内设置有所述第一数据采集与转换单元(5)。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统，其特征在于：步骤二中，将外机匣(14)置于无冷气环境，利用第三热电偶(13)测量燃气温度，测得温度为
，然后将测得的数据经第三数据采集与转换单元(15)传输到控制接收单元(8)中。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮动叶旋转综合冷效测试系统，其特征在于：步骤三中，打开储气罐(9)，使冷气流入连通管(10)，利用第二热电偶(11)对冷气进行测温，测得的温度为T c ，第二热电偶(11)将信号经过第二数据采集与转换单元(12)传输到控制接收单元(8)中。
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| Title |
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| 出流角对旋转涡轮叶片前缘气膜冷却影响;韩枫等;《工程热物理学报》;20200229;第41卷(第2期);正文第2-4页，第1.1-1.3节 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113588234A (zh) | 2021-11-02 |
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