CN114922696A - 一种用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量燃气轮机动叶端壁换热系数和气膜冷却效率的实验系统，所述空气供应装置的出口连接旁通管路和主流管路，主流管路依次连接稳压段、收缩段、进气段和试验段，其中，进气段入口端设置整流蜂窝，试验件放置于试验段，试验件包括3组叶片，叶片之间的2组端壁为待测量端壁。该实验系统可通过更换不同的试验段上盖板实现测量换热系数和气膜冷却效率。当测量动叶端壁的换热系数时，试验段上朝向待测量端壁有机玻璃盖板上布置有红外玻璃，红外玻璃上方放置红外热像仪，用于通过红外玻璃测量端壁表面的温度分布；当测量端壁气膜冷却效率时，试验段的上盖板为整块的光滑有机玻璃。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机实验设计技术领域，特别涉及一种用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统。
背景技术
燃气轮机凭借其功率密度大、体积小重量轻、启停速度快等诸多优势在航空推进、船舶动力、陆用发电等工业领域应用广泛。为了提高燃气轮机的比功和循环热效率，燃气轮机的进口温度在逐年提高。由于叶片结构复杂，相同叶片在不同叶高处型线不尽相同，高温燃气在流经叶片组成的流道时，会于叶片端壁形成诸如马蹄涡、角涡、二次流和横流等复杂流动结构，强化了端区的换热能力，导致燃机端壁所承受的热负荷增加，严重影响零部件的正常运行、降低其工作寿命。因此端壁冷却技术的研究显得尤为必要。
在燃气轮机动叶的设计过程中，现有的实验系统多为在静止的平面叶栅平台上对燃气轮机动叶端壁的各项参数进行测量，考虑到测量动叶下端壁的换热系数和气膜冷却效率时会采取不同的实验方案，叶片结构复杂，在不同的叶片进行实验时，叶片的型线和动叶下端壁结构会有所不同、对主流参数的不同要求，单一的实验系统难以同时满足上述要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，以期在仅更换试验段部分组件的情况下，即可测量燃机叶片端壁冷却和换热特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，包括空气供应装置和高压气瓶，其特征在于，所述空气供应装置的出口连接旁通管路和主流管路，主流管路依次连接稳压段、收缩段、进气段和试验段，其中，进气段入口端设置整流蜂窝，试验件设置于试验段，所述高压气瓶通过冷气管路直接连接实验件，所述试验件包括3组叶片，叶片之间的2组端壁为待测量端壁。
在一个实施例中，所述空气供应装置包括依次连接的空气压缩机、气体冷却干燥机和储气罐，旁通管路和主流管路连接于储气罐的出口，旁通管路设置比例电磁调节阀，主流管路设置主流进气阀。
在一个实施例中，所述整流蜂窝为蜂窝形结构的湍流栅格。
在一个实施例中，在所述进气段或试验段，位于所述整流蜂窝和试验件之间，布置有总压探针、毕托管和主流热电偶。
在一个实施例中，所述试验件包括基座，所述若干叶片沿垂直于气流的方向安装在基座上，所述试验段上朝向所述基座底部的壁面开设有台阶结构的安装槽，所述基座有对应的台阶结构，使得安装后基座的顶面即叶片下端壁与试验段的内壁平齐。
在一个实施例中，所述实验段的组成部件包括法兰、上底板、连接段、吸力面前侧板、吸力面后侧板、吸力面转角、下底板、压力面前侧板、压力面后侧板、压力面转角和尾缘板；其中，位于试验件压力面侧沿流动方向依次为压力面前侧板、压力面转角和压力面后侧板，并通过螺栓固定于下底板上；位于试验件吸力面侧沿流动方向依次为吸力面前侧板、吸力面转角和吸力面后侧板，并通过螺栓固定于下底板上；连接段固定于吸力面前侧板和压力面前侧板上；两块尾缘板分别靠近吸力面转角和吸力面后侧板的连接处以及压力面转角和压力面后侧板的连接处；上底板位于试验件上方，试验件的压力面与压力面转角内侧面平行，吸力面与吸力面转角内侧面平行，且试验件的叶栅前额线与压力面转角前缘点和吸力面转角前缘点的连线共线；试验段的各个部件使主流气体以设定角度流过试验件。
在一个实施例中，所述上底板为可替换壁面，测量下端壁的气膜冷却效率时，该上底板为完整壁面；测量下端壁的换热效率时，上底板开设有台阶结构的红外窗口，红外玻璃有对应的台阶结构，使得安装后红外玻璃的内表面与试验段的内壁面平齐，对于不同的实验测量需求，选择对应的上底板。
在一个实施例中，所述尾缘板布置在试验段出口处，尾缘板为带有转轴的平板，通过调整尾缘板角度，能够使吸力面转角内侧面和试验件各吸力面压力分布相同，压力面转角和试验件各压力面压力分布相同，最终流过试验件各流道的流体流量相同。
在一个实施例中，组成实验段的各部件之间存在槽状密封结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)相较于其他实验系统，本发明将试验段分割为多个可替换子部件，其中，吸力面转角与试验件组成流道的面取自试验件叶片的压力面，同样的，压力面转角与试验件组成流道的面为试验件叶片的吸力面。当实验中涉及到不同的叶型时，只需根据不同的叶型更换吸力面转角和压力面转角而无需对整个试验段进行替换。
(2)试验段更换不同的上底面可以满足不同的实验方案对动叶端壁不同物理量的测量，测量动叶下端壁的换热系数时，上底板布置有台阶结构，与红外玻璃的台阶结构相对应，使得红外玻璃安装后与试验段内侧壁面平齐；测量动叶下端壁的气膜冷却效率时，上底板为整块的有机玻璃。
(3)试验段的出口位置，压力面侧和吸力面侧同时安装有尾缘板，调整尾缘板角度使得各流道中的流量相同，更好地满足实验所需的周期性要求。
(4)本实验系统中的湍流栅格为可拆卸结构，根据实验对主流湍流强度的不同需求可更换不同尺寸和结构的湍流栅格。
附图说明
图1为本发明实验系统整体图。
图2为试验段结构图。
图3为法兰与试验段上底板的连接段结构图。
图4为法兰结构图。
图5为试验段没有台阶结构的上底板俯视图。
图6为试验段具有台阶结构的上底板俯视图。
图7为试验段下底板俯视图。
图8为有机玻璃结构图。
图9为湍流栅格结构图。
其中，1-空气压缩机，2-空气冷却干燥机，3-储气罐，4-旁通管路，5-比例电磁调节阀，6-主流进气阀，7-主流管路，8-稳压段，9-收缩段，10-进气段，11-试验段，12-湍流栅格，13-总压探针，14-毕托管，15-主流热电偶，16-试验件，17-尾缘板，18-测量监控设备，19-高压气瓶，20-冷气管路，21-吸力面拐角，22-压力面拐角，23-法兰，24-压力面前侧板，25-下底板，26-压力面后侧板，27-吸力面后侧板，28-吸力面前侧板，29-连接段，30-完整壁面，31-红外窗口，32-红外玻璃。
具体实施方式
下面结合附图和实施例说明本发明的具体实施方式。
本发明为一种用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，本发明中，燃机即燃气轮机，燃机叶片一般指燃气轮机动叶，其端壁是指燃气轮机动叶下端壁；本发明的冷却和换热特性，主要包括燃气轮机动叶下端壁的换热系数和气膜冷却效率。
参考图1，本发明主要包括空气供应装置、高压气瓶19和实验管段，其中实验管段主要包括旁通管路4、主流管路7、稳压段8、收缩段9、进气段10和试验段11；其中，空气供应装置的出口连接旁通管路4和主流管路7，主流管路7依次连接稳压段8、收缩段9、进气段10和试验段11，向试验段11供应空气；高压气瓶19储存冷却气体，并通过冷气管路20直接连接实验件16，试验件16布置于试验段11，其包括若干叶片，其中最中间一个叶片的吸力面侧下端壁作为待测量端壁22，空气从叶片组成的流道中流过。本实施例中，试验件16包括3组叶片，叶片之间的2组端壁为待测量端壁。
在一个实施例中，空气供应装置包括依次连接的空气压缩机1、气体冷却干燥机2和储气罐3；储气罐3的出口分为两路，分别连接旁通管路4和主流管路7，旁通管路4上布置比例电磁调节阀5，主流管路7上布置主流进气阀6。
在本发明中，稳压段8、收缩段9、进气段10和试验段11均采用了管道结构，并通过法兰连接。其中稳压段8的截面积大于进气段10的截面积，收缩段9将两者连接，进气段10和试验段11的截面积相同。
稳压段8用于稳定进入的空气压力，收缩段9用于将气流收缩。本发明在进气段10入口端设置整流蜂窝12，以进一步稳定主流气体，示例地，整流蜂窝12可为蜂窝形结构的湍流栅格。
本发明试验件16包括基座，若干叶片沿垂直于气流的方向安装在基座上，试验段11上朝向所述基座底部的壁面开设有台阶结构的安装槽，基座有对应的台阶结构，使得安装后基座的顶面即叶片下端壁与试验段11的内壁平齐。
在一个实施例中，为了测量主流气体在流进试验件前的流速和压力，在进气段10或试验段11，位于整流蜂窝12和试验件16之间，布置有总压探针13、毕托管14和主流热电偶15。通过调节比例电磁调节阀5的开度，分配旁通管路4和主流管路7的流量，当毕托管14的总静压差稳定在某个数值，从而确定实验工况。
在一个实施例中，参考图2，图3，图4，图5，图6，图7，图8，图9，实验段11的组成部件包括法兰23、上底板、连接段29、吸力面前侧板28、吸力面后侧板27、吸力面转角21、下底板25、压力面前侧板24、压力面后侧板26、压力面转角22和尾缘板17。
其中，位于试验件16压力面侧沿流动方向依次为压力面前侧板24、压力面转角22和压力面后侧板26，并通过螺栓固定于下底板25上；位于试验件16吸力面侧沿流动方向依次为吸力面前侧板28、吸力面转角21和吸力面后侧板27，并通过螺栓固定于下底板25上；连接段29固定于吸力面前侧板28和压力面前侧板24上；两块尾缘板17分别靠近吸力面转角21和吸力面后侧板27的连接处以及压力面转角22和压力面后侧板26的连接处。
试验件16的压力面与压力面转角22内侧面平行，吸力面与吸力面转角21内侧面平行，且试验件16的叶栅前额线与压力面转角22前缘点和吸力面转角21前缘点的连线共线；试验段11的各个部件使主流气体以设定角度流过试验件16。
试验段11朝向待测量端壁的一面为上底板，上底板位于试验件16上方，根据待测量物理参数的不同，选择不同结构的上底板，上底板外侧布置了测量设备，通过数据线将测量结果传输到测量监控设备18。具体地，上底板为可替换壁面，测量下端壁的气膜冷却效率时，该上底板为完整壁面30；测量下端壁的换热效率时，上底板开设有台阶结构的红外窗口31，红外玻璃32有对应的台阶结构，使得安装后红外玻璃32的内表面与试验段11的内壁面平齐，对于不同的实验测量需求，选择对应的上底板。
组成实验段的各部件之间存在槽状密封结构，通过槽状结构里面填充密封硅脂，可保证试验段的气密性，本实施例中，各部件依次通过螺栓进行连接。
本发明中，吸力面拐角21靠近管道内部的面与试验件16叶片的吸力面相同，同理，压力面拐角22靠近管道内部的面与试验件16叶片的压力面相同。吸力面拐角21，试验件16的叶片和压力面拐角22共同组成流道，主流气体从其中流过。在实验过程中，通过更换吸力面拐角21和压力面拐角22即可实现对具有不同叶型试验件的各物力参数的测量。
在一个实施例中，参考图5、图6，测量燃气轮机动叶下端壁的换热系数时，上底板上开设有台阶结构的红外窗口31，红外玻璃32上具有对于的台阶结构，上底板和红外玻璃32通过台阶结构装配在一起，红外玻璃32的内表面和上底板的内表面平齐，从而不会对流道中的气体流动产生影响；测量动叶下端壁的气膜冷却效率时，上底板为整块的有机玻璃。
在一个实施例中，下底板25开设有台阶结构，试验件16有对应的台阶结构，试验件16和下底板25通过台阶结构装配在一起并使用螺丝进行固定。试验件16的下端壁和下底板25的内表面平齐，避免因试验件16凸起或凹陷对下端壁附近的流体流动造成影响。
在一个实施例中，尾缘板17布置在试验段11出口处，尾缘板17为带转轴的平板，其角度可以调节。通过调节尾缘板17的角度，使得吸力面转角21内侧面和试验件16各叶片吸力面的压力分布相同，压力面转角22位于流道内部的面与试验件16各叶片压力面的压力分布相同，从而确定流过试验件16各流道中的流量相同，进而确定满足周期性分布。
端壁换热特性实验的试验件待测端壁上粘有电加热膜，电加热膜可以提供一定的热流量，热流量的只通过稳压直流电源调节。为了使待测端壁表面温度更加均匀，形成等壁温边界条件，在加热膜上表面再覆盖一层铜膜。铜膜上涂有一层不计厚度的哑光黑漆，以增大红外光的发射率，红外光透过上盖板上安装的红外玻璃后由红外热像仪接收。在实际测量过程中，端壁上电加热薄膜的热流量除了与主流发生对流换热由主流带走外，还会通过壁面产生导热损失和热辐射损失。试验时，监测流过试验段内的主流温度，待电加热膜表面温度稳定后，根据牛顿冷却公式，壁面换热系数为：
式中，Tw为主流温度，Taw为贴有电加热膜的壁面温度。
其中，主流对流换热带走的热量为：
qconv＝qele-qcond-qrad
加热膜提供的总热流量为：
式中，UI分别为直流稳压电源的电压和电流，A为电加热膜的面积。
导热损失：
式中，Rcond为导热过程中的总热阻，k1、δ1为加热膜的导热系数和厚度，k2、δ2为铜膜的导热系数和厚度，h为主流的导热系数。
热辐射损失：
式中，ε为电加热膜的发射率，Tw、Tm分别为粘有电加热膜的端壁温度和主流温度。
端壁的冷却特性通过PSP技术进行测量。PSP(压力敏感漆)是一种发光涂料，大部分PSP涂料是采用氧敏荧光分子和氧渗透结合剂混合制造而成。当发光材料在蓝紫光光源条件照射下，发光材料分子会吸收一个光子，由基态被激发为激发态，而由基态返回激发态过程中，会释放一个波长较长(红光)的光子。当有氧分子存在时，会产生副反应，致使激发态分子回到基态的过程中不会释放光子，当地氧气浓度越高，激发获得的激发红光越弱，从而形成发光强度和氧气浓度的对应关系。试验过程中，以空气为主流工质，以不含氧气的气体为冷气工质，通过CCD相机拍摄给定工况下端壁的荧光图像，以表征端壁附近主流和冷气的掺混情况，再结合压力敏感漆的氧分压-光强标定曲线，获得当地的氧气分压数据。最终根据传热传质类比获得端壁的气膜冷却有效度分布。在试验测量过程中，需要拍摄四组图片，分别为：主流为空气，冷气为不含氧气气体时端壁的光强图片(Ic)；主流为空气，冷气为空气时端壁的光强图片(Iair)；关闭主流和冷气，在激发光源照射下的参考光强图片(Iref)；关闭主流、冷气和激发光源，端壁上背景光强图片(Ib)。端壁上的气膜冷却有效度计算公式如下：
式中，
为不含氧气气体作为冷却流体时气膜中的氧分压，
为以空气作为冷却流体时气膜中的氧分压。Taw为端壁面温度，Tc为不含氧气气体作为冷却流体时的冷却气体温度，T∞为主流温度。Mair为主流气体的摩尔质量，Mc为不含氧气气体作为冷却流体时的冷却气体摩尔质量。
Claims (9)
1.用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，包括空气供应装置和高压气瓶(19)，其特征在于，所述空气供应装置的出口连接旁通管路(4)和主流管路(7)，主流管路(7)依次连接稳压段(8)、收缩段(9)、进气段(10)和试验段(11)，其中，进气段(10)入口端设置整流蜂窝(12)，试验件(16)设置于试验段(11)，所述高压气瓶(19)通过冷气管路(20)直接连接实验件(16)，所述试验件(16)包括3组叶片，叶片之间的2组端壁为待测量端壁(22)。
2.根据权利要求1所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，所述空气供应装置包括依次连接的空气压缩机(1)、气体冷却干燥机(2)和储气罐(3)，旁通管路(4)和主流管路(7)连接于储气罐(3)的出口，旁通管路(4)设置比例电磁调节阀(5)，主流管路(7)设置主流进气阀(6)。
3.根据权利要求1所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，所述整流蜂窝(12)为蜂窝形结构的湍流栅格。
4.根据权利要求1所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，在所述进气段(10)或试验段(11)，位于所述整流蜂窝(12)和试验件(16)之间，布置有总压探针(13)、毕托管(14)和主流热电偶(15)。
5.根据权利要求1所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，所述试验件(16)包括基座，所述若干叶片沿垂直于气流的方向安装在基座上，所述试验段(11)上朝向所述基座底部的壁面开设有台阶结构的安装槽，所述基座有对应的台阶结构，使得安装后基座的顶面即叶片下端壁与试验段(11)的内壁平齐。
6.根据权利要求1或5所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，所述实验段(11)的组成部件包括法兰(23)、上底板、连接段(29)、吸力面前侧板(28)、吸力面后侧板(27)、吸力面转角(21)、下底板(25)、压力面前侧板(24)、压力面后侧板(26)、压力面转角(22)和尾缘板(17)；其中，位于试验件(16)压力面侧沿流动方向依次为压力面前侧板(24)、压力面转角(22)和压力面后侧板(26)，并通过螺栓固定于下底板(25)上；位于试验件(16)吸力面侧沿流动方向依次为吸力面前侧板(28)、吸力面转角(21)和吸力面后侧板(27)，并通过螺栓固定于下底板(25)上；连接段(29)固定于吸力面前侧板(28)和压力面前侧板(24)上；两块尾缘板(17)分别靠近吸力面转角(21)和吸力面后侧板(27)的连接处以及压力面转角(22)和压力面后侧板(26)的连接处；上底板位于试验件(16)上方，试验件(16)的压力面与压力面转角(22)内侧面平行，吸力面与吸力面转角(21)内侧面平行，且试验件(16)的叶栅前额线与压力面转角(22)前缘点和吸力面转角(21)前缘点的连线共线；试验段(11)的各个部件使主流气体以设定角度流过试验件(16)。
7.根据权利要求6所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，所述上底板为可替换壁面，测量下端壁的气膜冷却效率时，该上底板为完整壁面(30)；测量下端壁的换热效率时，上底板开设有台阶结构的红外窗口(31)，红外玻璃(32)有对应的台阶结构，使得安装后红外玻璃(32)的内表面与试验段(11)的内壁面平齐，对于不同的实验测量需求，选择对应的上底板。
8.根据权利要求1所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，所述尾缘板(17)布置在试验段(11)出口处，尾缘板(17)为带有转轴的平板，通过调整尾缘板(17)角度，能够使吸力面转角(21)内侧面和试验件(16)各吸力面压力分布相同，压力面转角(22)和试验件(16)各压力面压力分布相同，最终流过试验件(16)各流道的流体流量相同。
9.根据权利要求1所述用于测量燃机叶片端壁冷却和换热特性的系统，其特征在于，组成实验段的各部件之间存在槽状密封结构。
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