一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统和稳态实验方法技术方案

一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，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，试验件设置于试验段，试验件包括若干叶片，各叶片的叶顶与试验段的壁面之间具有间隙，其中最中间的一个叶片作为待测量叶片，试验段上朝向待测量叶片的叶顶布置有红外玻璃，红外玻璃上方放置红外热像仪，用于通过红外玻璃测量叶顶表面的温度分布云图。本发明专利技术还提供了基于所述用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统的稳态实验方法，监测试验段内的流动参数、温度，待可更换叶顶表面温度稳定后，根据牛顿冷却定律和傅里叶公式计算叶顶换热系数。牛顿冷却定律和傅里叶公式计算叶顶换热系数。牛顿冷却定律和傅里叶公式计算叶顶换热系数。

【技术实现步骤摘要】
一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统和稳态实验方法


[0001]本专利技术属于燃气轮机叶片设计
，特别涉及一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统和稳态实验方法。

技术介绍

[0002]燃气轮机是现代工业中不可或缺的动力装置，主要用于发电，舰船动力，航空推进等。在燃气轮机透平动叶中，由于叶顶间隙的存在，在横向压力梯度的作用下部分主流会经由叶顶间隙从压力面泄漏到吸力面，泄漏流动边界层较薄，传热增强，叶顶区域承受着巨大的热负荷，叶片顶部产生烧蚀现象时有发生，成为导致涡轮部件失效的重要原因之一，燃气轮机的安全稳定运行。因此，搭建动叶叶顶换热系数实验平台，实现对不同主流参数和结构参数下叶顶换热系数的测量，分析其换热特性，对于透平叶顶气热性能研究具有重要意义。
[0003]目前关于叶顶换热系数测量的实验平台较少，其设计难道主要体现在以下几个方面：1.真实燃气轮机透平动叶叶顶的间隙极小，通常为1～2毫米，航空发动机的叶顶间隙更小，通常在0.5毫米左右，在实验设计中保证合理的间隙大小较为困难；2.由于叶顶间隙的限制，传统的在表面贴加热膜的换热系数测量方法不适用于叶顶，需要寻找新的测量方法；3.目前已有叶顶换热系数测量实验平台几乎都采用瞬态热色液晶测量方法，其实验结果重复性不好。
[0004]由于动叶叶顶换热系数测量存在上述问题，因此，需要设计更为合理的实验平台来测量叶顶换热系数。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统和稳态实验方法，对燃气轮机透平动叶叶顶在不同主流参数和结构参数下进行实验测量，获得叶顶表面的温度分布云图，进而通过公式计算得到叶顶表面换热系数。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，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，试验件设置于试验段，试验件包括若干叶片，各叶片的叶顶与试验段的壁面之间具有间隙，其中最中间的一个叶片作为待测量叶片，试验段上朝向待测量叶片的叶顶布置有红外玻璃，红外玻璃上方放置红外热像仪，用于通过红外玻璃测量叶顶表面的温度分布云图。
[0008]进一步地，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。
[0009]进一步地，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。
[0010]进一步地，所述试验段上朝向待测量叶片的叶顶的壁面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平齐。
[0011]进一步地，所述试验件包括基座，所述若干叶片沿垂直于气流的方向依次安装在基座上，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安装面与试验段的内壁平齐，所述台阶结构的台阶面设置有垫片，垫片用于调整叶顶与试验段的壁面之间间隙的距离。
[0012]进一步地，所述试验段出口处布置有尾缘板，尾缘板的结构一块带有转轴的平板，以通过转动条件其角度，使得3个叶片的吸力面和压力面压力分布相同，从而确定三支叶片之间的两个流道流量大小相同，确定满足周期性条件。
[0013]进一步地，所述待测量叶片以及其相邻的两个叶片均在50％叶高处布置若干引压孔。
[0014]进一步地，所述试验件的叶片包括叶片基座和可更换叶顶，叶片基座表面粘贴电加热膜，电加热膜上方粘贴一层紫铜板，可更换叶顶粘贴在紫铜板上，在紫铜板与可更换叶顶之间等间距布置若干叶片热电偶，用于测量可更换叶顶的下表面温度，所述叶片热电偶和红外热像仪均连接到测量监控设备。
[0015]进一步地，所述可更换叶顶由3D打印加工而成，材料为光敏树脂，耐温90～100摄氏度，其表面均匀喷涂一层亚光黑色底漆，以增大红外光的发射率。
[0016]本专利技术还提供了基于所述用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统的稳态实验方法，监测试验段内的流动参数、温度，待可更换叶顶表面温度稳定后，根据牛顿冷却定律和傅里叶公式计算叶顶换热系数。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]1)本专利技术布置有旁通管路，可以通过比例电磁调节阀设置旁通开度大小，精确控制进入主流管路的压缩气体流量，实验对不同主流参数下叶顶换热系数的测量。
[0019]2)本专利技术采用红外热像仪获取叶顶表面表面温度分布，为非接触测量，对叶顶间隙内流场几乎没有影响。
[0020]3)本专利技术开设的红外窗口和加工的红外玻璃有对应的台阶结构，安装完成后上端壁没有台阶存在，不会对流动产生影响。
[0021]4)本专利技术在流道尾缘两侧均布置尾缘板，通过调节尾缘板的角度，调整相邻叶片间的通道流量一致，进而确定满足周期性条件。
[0022]5)本专利技术的可更换叶顶减少了叶片的加工成本，并且实验对不同结构的叶顶换热系数的测量。
[0023]6)本专利技术试验件可通过螺丝连在下端壁盖板上，提高了试验件拆装的灵活性，同时在试验件与下端壁接触的缝隙内填满密封硅脂，保证试验段的密封性。
[0024]7)本专利技术试验件与下端壁盖板在装配时，两者中间添加一个垫片，通过改变垫片厚度，可以调节叶顶间隙的大小。
[0025]8)本专利技术实验方法在测量过程中，试验段内流动均处于稳定状态。测量过程简单易操作，实验结果可重复性良好。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实验系统整体示意图。
[0027]图2为红外窗口与红外玻璃横截面示意图。
[0028]图3是试验件底部与试验段壁面的连接结构示意图。
[0029]图4为叶片横截面与原理示意图示意图。
[0030]其中，1
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空气压缩机，2
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气体冷却干燥机，3
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储气罐，4
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旁通管路，5
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主流管路，6
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比例电磁调节阀，7
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主流进气阀，8
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稳压段，9
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收缩段，10
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进气段，11
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整流蜂窝，12
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主流热电偶，13
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毕托管，14
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总压探针，15
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试验件，16
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尾缘板，17
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测量监控设备，18
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试验段，19
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红外热像仪，20
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红外玻璃，21
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上端壁盖板，22
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测量叶片，23
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可更换叶顶，24本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，包括空气供应装置，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(5)，主流管路(5)依次连接稳压段(8)、收缩段(9)、进气段(10)和试验段(18)，其中，进气段(10)入口端设置整流蜂窝(11)，试验件(15)设置于试验段(18)，试验件(15)包括若干叶片，各叶片的叶顶与试验段(18)的壁面之间具有间隙，其中最中间的一个叶片作为待测量叶片(22)，试验段(18)上朝向待测量叶片(22)的叶顶布置有红外玻璃(20)，红外玻璃(20)上方放置红外热像仪(19)，用于通过红外玻璃(20)测量叶顶表面的温度分布云图。2.根据权利要求1所述用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，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(5)连接于储气罐(3)的出口，旁通管路(4)设置比例电磁调节阀(6)，主流管路(5)设置主流进气阀(7)。3.根据权利要求1所述用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，其特征在于，在所述进气段(10)或试验段(18)，位于所述整流蜂窝(11)和试验件(15)之间，布置有总压探针(14)、毕托管(13)和主流热电偶(12)。4.根据权利要求1所述用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，其特征在于，所述试验段(18)上朝向待测量叶片(22)的叶顶的壁面开设有台阶结构的红外窗口，红外玻璃(20)有对应的台阶结构，使得安装后红外玻璃(20)的内表面与试验段(18)的内壁平齐。5.根据权利要求1所述用于测量透平动叶叶顶换热系数的实验系统，其特征在于，所述试验件(15)包括基座，所述若干叶片沿垂直于气流的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钊，李冯，贾哲，王海锋，张韦馨，丰镇平，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：