本發(fā)明涉及一種帶有球窩/球凸結(jié)構(gòu)的透平葉片冷卻通道傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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透平葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，為了保證葉片在高溫下正常運(yùn)行，常布置大量的冷卻通道，而球窩/球凸作為一種高傳熱、低流阻的高效強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，被布置在通道內(nèi)以進(jìn)一步提高冷卻性能。通過實(shí)驗(yàn)方法獲得透平葉片冷卻通道的傳熱性能是冷卻通道設(shè)計(jì)研發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)。因此，搭建葉片內(nèi)部冷卻通道實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通道內(nèi)運(yùn)行參數(shù)的控制和相關(guān)傳熱參數(shù)的測(cè)量，對(duì)于透平葉片內(nèi)部冷卻通道傳熱特性的研究具有重要意義。實(shí)際葉片尾緣部分的內(nèi)部冷卻通道往往較窄(具有較大寬高比)，且通道尺度較小，通道實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)與加工較為困難，并且要在其中布置多排球窩/球凸結(jié)構(gòu)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加工和測(cè)試提出了更高的要求。由于研究存在的上述困難，需要更好的實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)試表面布置球窩/球凸冷卻通道的傳熱特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種帶有球窩/球凸結(jié)構(gòu)的透平葉片冷卻通道傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用于對(duì)透平葉片尾緣內(nèi)部冷卻通道中多種傳熱過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取通道中球窩/球凸表面的瞬態(tài)溫度場(chǎng)圖像，并分析換算通道表面的局部傳熱系數(shù)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。

一種帶有球窩/球凸結(jié)構(gòu)的透平葉片冷卻通道傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括漩渦氣泵、穩(wěn)流罐、掛壁式溫度控制柜、氣體管式加熱器、電磁調(diào)節(jié)閥、測(cè)試通道、紅外光學(xué)鏡片和紅外熱成像儀；其中，

漩渦氣泵的出口與穩(wěn)流罐的入口相連，穩(wěn)流罐的出口與氣體管式加熱器的氣體腔入口相連，掛壁式溫度控制柜與氣體管式加熱器的氣體腔相連，氣體管式加熱器的氣體腔出口通過電磁調(diào)節(jié)閥與測(cè)試通道入口相連，測(cè)試通道底面布置有球窩/球凸粗糙面，測(cè)試通道頂部開設(shè)有通孔，該通孔處安裝有紅外光學(xué)鏡片，紅外熱成像儀設(shè)置于紅外光學(xué)鏡片上方，并與圖像采集計(jì)算機(jī)相連。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括氣體流量計(jì)，其設(shè)置在漩渦氣泵的出口與穩(wěn)流罐的入口相連的管道上。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，還包括熱線風(fēng)速儀，其用于測(cè)量測(cè)試通道中的熱空氣。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，測(cè)試通道底面布置的球窩/球凸粗糙面能夠自由拆卸裝配。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，測(cè)試通道上設(shè)置有抽吸通道。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，紅外光學(xué)鏡片為帶有防反射涂層的BaF紅外玻璃。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明中，采用滿足傳熱流動(dòng)相似性、易加工、易測(cè)量且易拍攝的?；鋮s通道，對(duì)球窩/球凸表面的流動(dòng)傳熱進(jìn)行了測(cè)量研究。漩渦氣泵將空氣送入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過流量計(jì)控制氣體流量，后接穩(wěn)流罐以提供持續(xù)穩(wěn)定的氣流；采用氣體管式加熱器、掛壁式溫度控制柜、電磁調(diào)節(jié)閥的配合取代了大功率加熱網(wǎng)，使得空氣更易產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的溫度躍遷；測(cè)試段下表面的球窩/球凸為可自由拆卸裝配的配合方式，使得可以方便更換測(cè)試表面，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)為了增加測(cè)試面在紅外成像儀發(fā)射下的反射率，在測(cè)試面的表面均勻地噴涂了黑色的亞光漆，以更加配合紅外熱成像儀的溫度成像；測(cè)試通道頂部的光學(xué)觀察窗口為帶有防反射涂層的BaF紅外玻璃，該材料對(duì)熱成像儀的透過性較好；改變氣體管式加熱器的控制方式，結(jié)合電加熱膜的使用，可以在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)兩種不同的傳熱實(shí)驗(yàn)，同時(shí)獲得傳熱分布和平均傳熱系數(shù)兩種參數(shù)；紅外熱成像儀透過紅外光學(xué)鏡片對(duì)球窩/球凸粗糙表面的瞬態(tài)溫度分布云圖進(jìn)行拍攝，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和輸出；獲得了傳熱結(jié)果后，可以通過進(jìn)一步的相似性變換換算至實(shí)際尺度下的傳熱結(jié)果。

由上述內(nèi)容可知，本發(fā)明建立了一種表面布置球窩/球凸結(jié)構(gòu)的透平葉片內(nèi)部通道?；瘜?shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)通道的大小滿足傳熱流動(dòng)相似性，可以通過換算實(shí)現(xiàn)冷卻通道尺度的擴(kuò)大，測(cè)試段下表面上球窩/球凸粗糙面的可拆卸裝配方式使得實(shí)驗(yàn)中可以便捷的更換測(cè)試表面，有效縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)測(cè)試段的可更換性使其具備了進(jìn)行瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)兩種傳熱實(shí)驗(yàn)的功能，將獲得的傳熱結(jié)果通過進(jìn)一步的相似性變換可以等效至實(shí)際尺度下的傳熱結(jié)果，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)使得透平葉片內(nèi)部通道中的傳熱和流動(dòng)特性可以更加便捷的測(cè)量。

附圖說明：

圖1是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體示意圖；

圖2是球窩球凸測(cè)試面示意圖；

圖3是瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)溫度躍遷裝置示意圖；

圖4是可拆卸測(cè)試段示意圖。

圖中：1為漩渦氣泵，2為氣體流量計(jì)，3為穩(wěn)流罐，4為掛壁式溫度控制柜，5為氣體管式加熱器，6為電磁調(diào)節(jié)閥，7為測(cè)試通道，8為球窩/球凸粗糙面，9為紅外光學(xué)鏡片，10為紅外熱成像儀，11為圖像采集計(jì)算機(jī)，12為測(cè)試段連接方式。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

請(qǐng)參閱圖1和圖2，本發(fā)明提出一種帶有球窩/球凸結(jié)構(gòu)的透平葉片冷卻通道傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括測(cè)試通道之前的穩(wěn)流加熱段、主流測(cè)試段以及瞬態(tài)紅外圖像采集處理系統(tǒng)。

參照?qǐng)D1和圖2，首先對(duì)主流測(cè)試段進(jìn)行說明。測(cè)試段的加工材料采用20mm厚度的有機(jī)玻璃，采用該材料制作通道測(cè)試段主要是為了滿足瞬態(tài)傳熱分析方法中的半無限大物體的瞬態(tài)導(dǎo)熱假設(shè)，同時(shí)其透明性使得通道的可視性更佳。測(cè)試通道7入口通過方形透明管道與穩(wěn)流罐3相連，出口為大氣環(huán)境。球窩/球凸粗糙面8則布置在測(cè)試通道7下表面，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)為可自由拆卸裝配的配合方式，使得可以自由更換測(cè)試表面，以方便進(jìn)行不同球窩/球凸布置方式的研究，球窩/球凸粗糙面8也采用有機(jī)玻璃制成，同時(shí)為了增加測(cè)試表面在紅外成像儀10發(fā)射下的反射率，在測(cè)試表面均勻地噴涂了黑色的亞光漆，以更加配合紅外熱成像儀10的瞬態(tài)溫度成像。測(cè)試通道上表面為帶有防反射涂層的BaF紅外玻璃9，該材料對(duì)本紅外熱成像儀10的透過性較好。

參照?qǐng)D1，測(cè)試通道之前的穩(wěn)流加熱段包括漩渦氣泵1、氣體流量計(jì)2、穩(wěn)流罐3、氣體管式加熱器5、掛壁式溫度控制柜4、電磁調(diào)節(jié)閥6以及連接通道組成。漩渦氣泵1將空氣通入管道，通過氣體流量計(jì)2按照預(yù)設(shè)的雷諾數(shù)控制其流量，由于漩渦氣泵1通入的氣體不穩(wěn)定，需要將其通入穩(wěn)流罐3并布置濾網(wǎng)層以使氣體均勻穩(wěn)定流動(dòng)。穩(wěn)定的氣流隨后進(jìn)入氣體管式加熱器中升溫，通過布置相應(yīng)的電磁調(diào)節(jié)閥6使得經(jīng)過氣體管式加熱器5和電磁調(diào)節(jié)閥6后產(chǎn)生瞬態(tài)紅外傳熱實(shí)驗(yàn)所需要的溫度躍遷，采用掛壁式溫度控制柜4來控制溫度，最終具有設(shè)定溫度的穩(wěn)定流動(dòng)的空氣通過方形透明管道進(jìn)入測(cè)試通道7中在球窩/球凸粗糙面8進(jìn)行傳熱，其中熱空氣的測(cè)量采用熱線風(fēng)速儀。

參照?qǐng)D1，瞬態(tài)紅外圖像采集處理系統(tǒng)由紅外光學(xué)鏡片9、紅外熱成像儀10和圖像采集計(jì)算機(jī)11組成。紅外熱成像儀10為Flir公司的FLIR SC-620,640×480pixel²，其工作時(shí)發(fā)射紅外波長(zhǎng)為7.5～13μm。紅外光學(xué)鏡片9布置在測(cè)試通道的上表面，紅外熱成像儀10在測(cè)試通道上方并對(duì)準(zhǔn)紅外光學(xué)鏡片9。紅外光學(xué)鏡片9采用帶有防反射涂層的BaF材料，該材料的光學(xué)玻璃對(duì)本熱成像儀的透過性較好。此外，為了增加球窩/球凸粗糙面8在紅外熱成像儀10發(fā)射下的反射率，在球窩/球凸粗糙面8的表面均勻地噴涂了黑色的亞光漆，以更加配合紅外熱成像儀10的溫度成像。紅外熱成像儀10與圖像采集計(jì)算機(jī)11的后處理軟件ThermaCAM Researcher相連，對(duì)拍攝的紅外溫度云圖數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理。

參照?qǐng)D2，球窩/球凸粗糙面8布置在測(cè)試通道下表面，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)為可自由拆卸裝配的配合方式，方便更換球窩球凸板，可以有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

參照?qǐng)D3，掛壁式溫度控制柜4與氣體管式加熱器5連接以控制加熱后的氣體溫度，電磁調(diào)節(jié)閥6與測(cè)試段連接以控制與測(cè)試段的連通狀態(tài)。在進(jìn)行瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使測(cè)試段達(dá)到傳熱穩(wěn)定狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)溫度控制柜4至實(shí)驗(yàn)所需氣體溫度，氣體管式加熱器5以大功率狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)電磁調(diào)節(jié)閥6切換至與大氣連通，短暫的加熱后氣體溫度迅速達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定溫度，這時(shí)電磁調(diào)節(jié)閥6再切換至與測(cè)試段連通，從而實(shí)現(xiàn)氣體溫度的躍遷。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，直接打開氣體管式加熱器5使通道內(nèi)主流溫度達(dá)到需求的主流溫度，在測(cè)試段中布置電加熱膜，直接通入測(cè)試通道，長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行使得測(cè)試段物體溫度恒定完成穩(wěn)態(tài)傳熱實(shí)驗(yàn)。通過變換溫度控制裝置的功率，可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)傳熱和穩(wěn)態(tài)傳熱兩種狀態(tài)下的測(cè)試，同時(shí)獲得傳熱分布和平均傳熱系數(shù)兩種參數(shù)，即該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有完成兩個(gè)不同傳熱實(shí)驗(yàn)的功能。

參照?qǐng)D4，瞬態(tài)7、穩(wěn)態(tài)13實(shí)驗(yàn)段的加工材料、加工類型和結(jié)構(gòu)都不同，屬于不同的傳熱實(shí)驗(yàn)，在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過可拆卸的測(cè)試段連接方式12，可以迅速更換測(cè)試段，從而實(shí)現(xiàn)“一臺(tái)兩用”的功能，即同一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)兩種類型的實(shí)驗(yàn)。

通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)葉片內(nèi)部通道中的球窩/球凸表面的瞬態(tài)溫度進(jìn)行了觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了葉片內(nèi)部通道傳熱的?；芯考扒蚋C/球凸粗糙表面瞬態(tài)溫度場(chǎng)的可視化。通過更換測(cè)試表面，可以很方便地研究不同球窩/球凸布置方式對(duì)傳熱的影響；通過改變氣流閥門及管式加熱器設(shè)定溫度，對(duì)氣流參數(shù)的影響進(jìn)行了研究；通過變換加熱器及控制柜的運(yùn)行方式及測(cè)試段布置方式，可以進(jìn)行瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)兩種傳熱實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)瞬態(tài)溫度云圖的采集和處理，獲得了葉片內(nèi)部通道中球窩/球凸面的傳熱分布和平均傳熱系數(shù)，進(jìn)一步獲得其傳熱規(guī)律。按照相似性原理，兩個(gè)同類物理現(xiàn)象相似的充要條件是同名的已定特征數(shù)相等以及單值性條件相似，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)按照一定比例將實(shí)際葉片內(nèi)部冷卻通道放大，為了保證其傳熱相似性，必須使得Re與Pr以及邊界條件與實(shí)際葉片通道相同，實(shí)驗(yàn)得到的Nu則是相同的，即通過Nu建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際模型之間的聯(lián)系。該實(shí)驗(yàn)為布置球窩/球凸的葉片內(nèi)部冷卻通道傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

因此可以通過換算實(shí)現(xiàn)冷卻通道尺度的擴(kuò)大，并且實(shí)驗(yàn)臺(tái)易加工，通道內(nèi)的各種參數(shù)易測(cè)量，球窩/球凸表面的溫度分布云圖易拍攝。

考慮尾緣抽吸作用，測(cè)試通道還包含額外的抽吸通道。紅外光學(xué)鏡片(9)為帶有防反射涂層的BaF紅外玻璃，該材料的光學(xué)玻璃對(duì)熱成像儀的透過性較好。