一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统

摘要

一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，包括：试验段模型，用于模拟涡轮叶片叶栅流道，在流道内的叶片转折角位置固定设置叶片试验件，叶片试验件的CO2进气口沿径向伸出流道，其叶片压力面和叶片吸力面上分别布置若干叶片气膜孔，且叶片压力面和叶片吸力面上沿等高线布置等间距的叶片引压孔；主流系统，连接流道的入口，向流道送入主流空气；CO2冷气系统，连接CO2进气口，向叶片试验件内部供气腔送入CO2冷气，并由叶片气膜孔处射出，形成气膜冷却；测量系统，测量流道内部的压力和温度分布，其中温度分布通过红外摄像机拍摄获取。本发明实现了对叶栅表面冷却效率与换热系数的测量，解决了叶片表面由于曲率变化过大而无法测量的难点。

权利要求

1.一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，包括：

试验段模型，用于模拟涡轮叶片叶栅流道，在流道内的叶片转折角位置固定设置叶片试验件(24)，叶片试验件(24)的CO2进气口(27)沿径向伸出流道，叶片试验件(24)的叶片压力面(25)和叶片吸力面(26)上分别布置若干叶片气膜孔(29)，且叶片压力面(25)和叶片吸力面(26)上沿等高线布置等间距的叶片引压孔(28)；

主流系统，连接所述流道的入口，向流道送入主流空气；

CO2冷气系统，连接所述CO2进气口(27)，向叶片试验件(24)内部供气腔送入CO2冷气，并由叶片气膜孔(29)处射出，形成气膜冷却；

测量系统，用于测量流道内部的压力和温度分布，其中温度分布通过红外摄像机(18)拍摄获取；

其特征在于，所述流道的吸力面侧壁(21)与压力面侧壁(22)上分别布置等量引压孔，通过两侧壁上的压力分布与叶片压力面(25)、叶片吸力面(26)的压力分布对比，观察对应周期性。

2.根据权利要求1所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述流道前端布置若干测量孔(20)，用于测量系统测量来流压力、温度、湍动度，并控制在试验给定条件范围内。

3.根据权利要求1所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述流道的尾缘段两侧分别布置尾缘板(23)，通过调节尾缘板(23)的角度，调整两侧流道流量大小，进而调整两侧周期性效果。

4.根据权利要求1所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述流道的吸力面侧壁(21)与压力面侧壁(22)设置有朝向叶片压力面(25)和叶片吸力面(26)的若干红外拍摄窗口，以供所述红外摄像机(18)拍摄叶片表面温度分布云图。

5.根据权利要求4所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述红外拍摄窗口由窗口W1、窗口W2和窗口W3组成，其中，窗口W1基本覆盖叶片压力面(25)拍摄区域，窗口W2和窗口W3基本覆盖叶片吸力面(26)拍摄区域，从而使红外相机能够完全覆盖叶片压力面(25)、叶片吸力面(26)的叶片气膜孔(29)下游拍摄区域。

6.根据权利要求4所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述流道由有机玻璃制成，其吸力面侧壁(21)和压力面侧壁(22)采用铝合金材料模拟两侧叶片壁面，所述红外拍摄窗口处红外玻璃采用BaF2材料。

7.根据权利要求6所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，将叶片绝热气膜冷却效率和换热系数分开测量，对于叶片气膜冷效测量：在叶片试验件(24)表面贴附上

0.02mm钢膜(32)，0.02mm钢膜(32)表面喷涂均匀黑色哑光漆，用于红外测量；对于换热试验测量：采用恒流法测量换热系数，在叶片试验件(24)表面贴附薄层加热膜(30)，薄层加热膜(30)上贴附0.1mm铜膜(31)提供恒定热流量，0.1mm铜膜(31)表面再贴附0.02mm钢膜(32)，使得0.1mm铜膜(31)表面温度均匀的同时，通过0.02mm钢膜(32)减小横向导热，0.02mm钢膜(32)表面喷涂均匀黑色哑光漆。

8.根据权利要求1所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述流道内位于叶片转折角位置以及叶片试验件(24)内部供气腔均布置有热电偶。

9.根据权利要求1所述测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，其特征在于，所述主流系统包括由若干空气压缩机(1)组成的空压机组，各空气压缩机(1)的出口依次连接冷干机(2)、储气罐(3)和蝶阀(4)，之后汇集并分为旁路和主路，旁路设置旁通阀(5)，主路经主气阀(6)连接稳流扩张段(7)，再经过蜂窝整流段(8)后连接变径管道，最终接入流道；

所述CO2冷气系统包括由若干并联的气瓶组成的CO2气瓶组(9)，CO2气瓶组(9)的出口依次连接球阀(10)、减压阀一(11)、过滤器(12)、流量计(13)和减压阀二(14)，再通过换热器(15)，达到所需温度后进入叶片试验件(24)。

说明书

一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统

技术领域

[0001] 本发明属于叶栅特性研究技术领域，特别涉及一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统。

背景技术

[0002] 燃气轮机作为一种动力装置，具有功率范围广、功率密度大、启动灵活等优点，已经广泛应用于航空动力推进、地面重型燃气轮机发电以及化工能源等工业驱动的众多领域。随着燃气轮机透平进口温度的不断提高，其远远超过了叶片材料所能承受的极限温度。因此，迫切地需要先进的冷却技术来保障叶片的安全稳定运行。气膜冷却作为外部冷却中一种重要的冷却方式，如何提高气膜冷却效率，减小冷却空气供应量，对于提高燃气轮机内效率有举足轻重的作用。

[0003] 目前国内外已有的研究主要集中在平板上的气膜冷却，很少针对透平叶片特点的大曲率型面上气膜冷却的试验研究：因缺少适用的计算模型，透平叶片冷却设计的可靠性难以保证；且叶片表面曲率变化较大，叶片表面温度分布测量存在困难，合理温度测量窗口尤为重要；叶片气膜孔型数较多，对应叶片试验件数量大，需要设计合理装配方案，方便不同孔型叶片试验件安装、测量。

[0004] 叶栅气膜冷却效率与气膜孔在叶身上的轴向位置、气膜孔孔型等均有关，需要设计合理的叶栅气膜冷却试验系统，便于更方便地测量不同轴向位置气膜孔以及不同孔型对应的叶栅气膜冷却效率，得到叶栅气膜冷却、换热结果。

发明内容

[0005] 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测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，对叶栅气膜冷却的不同叶身轴向位置的气膜孔以及不同孔型等工况进行试验，获得相应拍摄的温度云图，进而通过公式分析计算得到气膜孔冷却效率以及换热系数。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，包括：

[0008] 试验段模型，用于模拟涡轮叶片叶栅流道，在流道内的叶片转折角位置固定设置叶片试验件，叶片试验件的CO2进气口沿径向伸出流道，叶片试验件的叶片压力面和叶片吸力面上分别布置若干叶片气膜孔，且叶片压力面和叶片吸力面上沿等高线布置等间距的叶片引压孔；

[0009] 主流系统，连接所述流道的入口，向流道送入主流空气；

[0010] CO2冷气系统，连接所述CO2进气口，向叶片试验件内部供气腔送入CO2冷气，并由叶片气膜孔处射出，形成气膜冷却；

[0011] 测量系统，用于测量流道内部的压力和温度分布，其中温度分布通过红外摄像机拍摄获取。

[0012] 进一步地，所述流道前端布置若干测量孔，用于测量系统测量来流压力、温度、湍动度，并控制在试验给定条件范围内。

[0013] 进一步地，所述流道的吸力面侧壁与压力面侧壁上分别布置等量引压孔，通过两侧壁上的压力分布与叶片压力面、叶片吸力面的压力分布对比，观察对应周期性。

[0014] 进一步地，所述流道的尾缘段两侧分别布置尾缘板，通过调节尾缘板的角度，调整两侧流道流量大小，进而调整两侧周期性效果。

[0015] 进一步地，所述流道的吸力面侧壁与压力面侧壁设置有朝向叶片压力面和叶片吸力面的若干红外拍摄窗口，以供所述测量系统利用红外摄像机拍摄叶片表面温度分布云图。

[0016] 进一步地，所述红外拍摄窗口由窗口W1、窗口W2和窗口W3组成，其中，窗口W1基本覆盖叶片压力面拍摄区域，窗口W2和窗口W3基本覆盖叶片吸力面拍摄区域，从而使红外相机能够完全覆盖叶片压力面、叶片吸力面的叶片气膜孔下游拍摄区域。

[0017] 进一步地，所述流道由有机玻璃制成，其吸力面侧壁和压力面侧壁采用铝合金材料模拟两侧叶片壁面，所述红外拍摄窗口处红外玻璃采用BaF2材料。

[0018] 进一步地，将叶片绝热气膜冷却效率和换热系数分开测量，对于叶片气膜冷效测量：在叶片试验件表面贴附上0.02mm钢膜，0.02mm钢膜表面喷涂均匀黑色哑光漆，用于红外测量；对于换热试验测量：采用恒流法测量换热系数，在叶片试验件表面贴附薄层加热膜，薄层加热膜上贴附0.1mm铜膜提供恒定热流量，0.1mm铜膜表面再贴附0.02mm钢膜，使得0.1mm铜膜表面温度均匀的同时，通过0.02mm钢膜减小横向导热，0.02mm钢膜表面喷涂均匀黑色哑光漆。

[0019] 进一步地，所述流道内位于叶片转折角位置以及叶片试验件内部供气腔均布置有热电偶。

[0020] 进一步地，所述主流系统包括由若干空气压缩机组成的空压机组，各空气压缩机的出口依次连接冷干机、储气罐和蝶阀，之后汇集并分为旁路和主路，旁路设置旁通阀，主路经主气阀连接稳流扩张段，再经过蜂窝整流段后连接变径管道，最终接入流道；

[0021] 所述CO2冷气系统包括由若干并联的气瓶组成的CO2气瓶组，CO2气瓶组的出口依次连接球阀、减压阀一、过滤器、流量计和减压阀二，再通过换热器，达到所需温度后进入叶片试验件。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0023] 1)，本发明采用红外相机拍摄，采用非接触的方式对叶片表面温度分布进行测量，尽可能减小测量对内部流场产生的影响。

[0024] 2)，本发明在流道侧壁面开设红外拍摄窗口，以达到拍摄叶片表面温度分布情况的目的，同时保证了叶栅通道的良好周期性。

[0025] 3)，本发明在流道尾缘两侧均布置尾缘板，通过调节尾缘板的角度，调整两侧通道流量大小，进一步调整周期性。

[0026] 4)，本发明在吸力面处合理布置红外拍摄窗口，方便针对曲率变化较大的叶片吸力面进行温度数据采集。

[0027] 5)，本发明采用高精度3D打印技术打印叶片材料，生成小孔径的引压孔，提高叶身静压测量的准确性。

[0028] 6)，本发明叶片根部配合在有机玻璃板上，叶片顶部通过螺栓固定在叶顶通道有机玻璃板上，采用螺栓连接的方式极大提高了叶片试验件拆装的灵活性。

[0029] 7)，本发明叶片与有机玻璃板面相接处均采用密封硅脂进行密封处理，防止叶栅通道内气流由根部、顶部向外泄露。

[0030] 8)，本发明采用叶片试验件表面覆盖黑色钢膜的方式，利用钢膜覆盖非测量孔排，实现了在同一叶片上对不同轴向位置处气膜孔孔排进行相互独立的单排气膜孔冷效测量试验，互不干扰。

附图说明

[0031] 图1为本发明试验系统整体示意图。

[0032] 图2为试验段模型中间截面处示意图。

[0033] 图3左为试验件压力面方向正视图(右图箭头方向为视图方向)，右图为试验件中间剖面俯视图。

[0034] 图4为试验段装配三维图。

[0035] 图5为叶片试验件表面贴附材料示意图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0037] 如图1所示，本发明为一种测量叶栅气膜冷却特性的试验系统，包括试验段模型、主流系统、CO2冷气系统以及测量系统，并可根据需要增设换热系统。本发明通过在周期性侧壁上合理布置红外拍摄窗口实现了对叶栅表面冷却效率与换热系数的测量。解决了叶片表面由于曲率变化过大而无法测量的难点。并且叶栅试验段针对叶片试验件压盖板式的设计使叶片试验件更换更方便、快捷。利用红外摄像机采集的数据得到气膜孔出口下游一定范围内冷却效率。

[0038] 试验段模型用于模拟涡轮叶片叶栅流道，能够模拟实际叶栅内流道流动情况，如图2所示，叶片试验件24以螺栓等方式固定设置在流道内的叶片转折角位置，并可由密封硅脂进行密封。

[0039] 如图3和图4所示，叶片试验件24的CO2进气口27沿径向伸出流道，叶片试验件24的叶片压力面25和叶片吸力面26上分别布置若干叶片气膜孔29，其中叶片气膜孔29可为扇形，在叶片压力面25和叶片吸力面26的排数一般不同。且叶片压力面25和叶片吸力面26上沿等高线布置等间距的叶片引压孔28，用于测量表面压力分布。

[0040] 在本发明的一个实施例中，叶片试验件24可采用光敏树脂材料利用3D打印技术进行快速成型，高精度打印。

[0041] 在本发明的一个实施例中，流道由有机玻璃制成。

[0042] 主流系统连接流道的入口，用于向流道送入主流空气。

[0043] 在本发明的一个实施例中，如图1所示，其包括由若干空气压缩机1组成的空压机组，各空气压缩机1的出口分别依次连接冷干机2、储气罐3和蝶阀4，之后汇集并分为旁路和主路，旁路设置旁通阀5，主路经主气阀6连接稳流扩张段7，再经过蜂窝整流段8后连接变径管道，最终接入流道。冷干机2能够使压缩空气维持较低的温湿度，旁通阀5控制主路流量大小，使主流达到指定马赫数，主流压缩空气进入稳流扩张段7稳压后再流经蜂窝整流段8整流，提升主流湍动度，达到试验要求。其中主流流速可由压力变送器16采集。

[0044] CO2冷气系统连接CO2进气口27，向叶片试验件24内部供气腔送入CO2冷气，并由叶片气膜孔29处射出，形成气膜冷却。

[0045] 在本发明的一个实施例中，如图1所示，其包括由若干并联的气瓶组成的CO2气瓶组9，CO2气瓶组9的出口依次连接球阀10、减压阀一11、过滤器12、流量计13和减压阀二14，再通过换热器15，达到所需温度后进入叶片试验件24的内部供气腔，从叶片气膜孔29处向外喷出形成气膜冷却。

[0046] 测量系统用于测量流道内部的压力和温度分布，其中温度分布通过红外摄像机18拍摄获取，并可通过后期编程数据处理将平面图像转换为叶片曲面上的温度数据，得到气膜冷却效率大小。

[0047] 测量系统主要包括：测温系统、测压系统以及云图拍摄系统，其中：

[0048] 在本发明的一个实施例中，流道前端布置若干测量孔20，测量系统通过测量孔20测量来流压力(总压、静压)、温度、湍动度等参数，并控制在试验给定条件范围内。示例地，可由压力变送器16采集压力后经IMP数据采集板输送至计算机采集系统17，进而根据压力数据得到试验段内部压力分布。

[0049] 在本发明的一个实施例中，流道内在至少位于叶片转折角位置以及叶片试验件24内部供气腔均布置有热电偶，并通过KRYPTON 8X温度采集系统19将相应的温度数据发送至数据采集系统，得到流道内部以及供气腔内部温度数据。示例地，热电偶具体可为T型热电偶。

[0050] 在本发明的一个实施例中，流道的吸力面侧壁21与压力面侧壁22设置有朝向叶片压力面25和叶片吸力面26的若干红外拍摄窗口，以供所述测量系统利用红外摄像机18拍摄叶片表面温度分布云图。

[0051] 示例地，红外拍摄窗口由窗口W1、窗口W2和窗口W3组成，其中，窗口W1基本覆盖叶片压力面25拍摄区域，窗口W2和窗口W3基本覆盖叶片吸力面26拍摄区域，从而使红外相机能够完全覆盖叶片压力面25、叶片吸力面26的叶片气膜孔29下游拍摄区域。在不影响叶栅流道周期性的情况下，该红外拍摄窗口能够较为准确地获取叶片表面温度分布云图；因叶片吸力面26处较大的曲率变化，在叶片吸力面26侧布置两处红外拍摄窗口，能更获取更完整的叶片表面温度分布云图，减小实验测量误差。

[0052] 在本发明的一个实施例中，流道由有机玻璃制成，其吸力面侧壁21和压力面侧壁22采用铝合金材料模拟两侧叶片壁面，红外拍摄窗口处红外玻璃采用BaF2材料。示例地，叶片试验件24设计为方便拆装设计，叶片根部平台通过密封硅脂压在试验段有机玻璃表面，起到密封作用；叶片顶部通过螺栓的方式紧固在上端试验段有机玻璃上，连接处均涂有密封硅脂起到密封作用。

[0053] 叶片气膜孔29冷效、换热测量时，需要对不同轴向位置处单独孔排的叶片气膜孔29以及多孔排的叶片气膜孔29分别进行测量，叶片试验件24采取在叶片表面贴附钢膜的方式，在针对单排气膜孔测量时，钢膜覆盖其他孔排处气膜孔，保留需测量孔排处气膜孔。针对不同孔排测量时，仅需更换对应不同孔排钢膜，节省3D打印叶片试验件24的数目。

[0054] 测量换热系数需要对叶片表面进行加热，高温差条件下叶片材料的导热对换热系数的测量精度产生影响，本发明选取导热系数相对较小的3D打印树脂材料，提高实验可靠性。

[0055] 如图5所示，本发明可将叶片绝热气膜冷却效率和换热系数分开测量，对于叶片气膜冷效测量：在叶片试验件24表面贴附上0.02mm钢膜32，0.02mm钢膜32表面喷涂均匀黑色哑光漆，用于红外测量；通过此方法减小叶片表面横向导热对叶栅气膜冷效测量产生的影响。对于换热试验测量：采用恒流法测量换热系数，在叶片试验件24表面贴附薄层加热膜30，提供稳定热流密度，薄层加热膜30上贴附0.1mm铜膜31提供恒定热流量，使叶片表面温度分布更均匀，铜膜表面再贴附0.02mm钢膜32，使得0.1mm铜膜31表面温度均匀的同时，通过0.02mm钢膜32减小横向导热，降低横向导热对气膜孔下游换热系数测量的影响。0.02mm钢膜32表面可喷涂均匀黑色哑光漆，可增强反射率，利用红外拍摄时，能获得更为精确实验测量结果。

[0056] 在本发明的一个实施例中，在流道的吸力面侧壁21与压力面侧壁22上分别布置等量引压孔，且与叶片引压孔28位置基本保持对应，通过两侧壁上的压力分布与叶片压力面25、叶片吸力面26的压力分布对比，观察分析比较流道的周期性。

[0057] 在本发明的一个实施例中，流道的尾缘段两侧分别布置尾缘板23，通过调节尾缘板23的角度，调整两侧流道流量大小，进而调整两侧周期性效果达到最佳。

[0058] 本发明的工作原理：

[0059] 通过对尾缘板23角度的调整，调节叶栅流道周期性，并通过压力面侧壁22、吸力面侧壁21进行测量以及叶片表面对应测压孔进行测量；叶片试验件24在试验段上通过螺栓方式进行装配提高叶片试验件24拆装灵活性，方便更换；换热试验在柔性的薄层加热膜30表面贴附0.1mm铜膜31使叶片表面温度分布均匀，0.1mm铜膜31表面再贴附0.02mm钢膜32，减小叶片表面横向导热，使实验测量更加精准；叶片表面贴附0.02mm钢膜32，减小叶片表面横向导热的同时，也利于分别对不同孔排气膜孔进行单独冷效试验，极大节省了叶片试验件打印数目。

[0060] 本发明的实验测量过程如下：

[0061] 在试验段的叶片转折角位置安装好叶片试验件24，并涂抹密封硅脂保证试验段气密性良好；

[0062] 为了防止主流压力瞬间大幅波动造成红外玻璃损坏，每次试验启动压缩机之前，将试验段的进口阀门关闭，并将所有的旁通阀门打开，待储气罐中的压力稳定后，再缓慢打开试验段进气阀，随后再根据试验要求，通过电脑远程控制旁通阀门的开度。

[0063] 在此基础上，采用压力变送器或者压力扫描阀测量叶片试验件24表面和周期性侧壁的静压分布，通过调节尾缘板23来调整两个通道中的流量分布，使试验段两个通道满足周期性要求。

[0064] 试验测量时，整个试验段需要达到流动和传热的稳定状态才进行试验数据的采集。对于绝热气膜冷却有效度的测量，待主流与冷气的温度和压力稳定后，采用热电偶测量主流温度和冷气温度，采用红外摄像机18拍摄壁面温度。对于换热系数的测量，通过调节制冷机的制冷温度，使得冷气温度和主流温度几乎一致，在保证完全相同的流动条件下需改变壁面的热边界条件进行两次拍摄测量。

[0065] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。