专利名称：用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种燃气轮机叶片气膜冷却研究装置，特别涉及一种用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构。
背景技术：
燃气轮机存在进口温度提高和叶片耐热性能局限的矛盾:碳氢燃料的燃烧能力可使透平进口温度达到2230°C，超出制造材料的允许值，为此，该温度值一般被控制在1900°C以下。叶片等的安全用冷却技术来保障，气膜冷却即为其一。气膜冷却可提高燃气轮机效率和使用寿命。这是因为依据热力学原理，提高透平进口工质温度将使设备作功增加，材料的高温耐受能力限制着燃料燃烧能的充分利用，实施气膜冷却将隔离热工质与通流部件，可以在获得燃气轮机进口高温的同时确保设备安全。气膜冷却效果主要依赖于冷却工质和高温燃气的压比、温比和气膜冷却叶片上的冷却孔的位置、形状与分布。而在典型的燃气轮机叶片中，压比和温比取值范围相对固定，另外一般在给定压比下温比越低，气膜冷却保护效果越好，然而在给定温比下压比越高气膜冷却保护效果越好(发生射流抬离情况除外)。因此为了设计出更好的叶片气膜冷却模式，应该更加注重研究气膜孔的位置、分布、角度和形状对气膜冷却效果的影响。目前对燃气轮机叶片气膜冷却方面的研究逐渐增多，但由于条件限制，较多采用数值模拟的方式进行考察。在实验研究方面，考虑到真实叶片加工存在困难，而平板模型可以用来相对容易的研究各个参数的影响，同时它的投资也不高，并且经过证实试验结果在稍许修正后就可以运用于实际。所以，在平板上开气膜冷却孔即利用孔板结构，进行气膜冷却流场和温度场的实验研究，是未来优化设计的重要手段和发展方向。现有气膜冷却技术的研究，或者较多侧重于新型气膜冷却孔型的开发或者较多侧重于整个气膜冷却实验系统的开发，较少针对气膜冷却平板展开专门的研究。气膜冷却平板是热量和动量交换的重要场所，平板上冷却孔的布局直接影响气膜冷却效果，平板上冷却效果的测试是评判气膜冷却技术的依据。在进行冷却孔的布局研究时，必然要更换多个孔板，孔板如何方便的与测试部分相连是需要考虑的问题之一。另外在评判气膜冷却技术时，多是定义一个无量纲参数——气膜冷却有效度(或称为气膜冷却效率)，而传热系数能更加准确的表示平板与外界的传热量，如何精确的测量平板的传热系数则是需要考虑的问题之二。
实用新型内容为了克服现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供一种孔板结构，它能提供将开孔位置与测试部分方便的连接方法，以及测量平板传热系数的结构。本实用新型适用于燃气轮机叶片气膜冷却孔布局的优化设计。为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是:一种用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，包括实验件和测试件，所述实验件上设置卡槽凸件，所述测试件上设置卡槽凹件，所述实验件和测试件通过所述卡槽凸件和卡槽凹件卡合在一起。进一步的，所述实验件上设置有气膜冷却孔，所述气膜冷却孔下方连接与其管径相同的有机玻璃管。进一步的，所述测试件包括黑漆、不锈钢薄片、电加热片和有机玻璃片，所述黑漆涂在所述不锈钢薄片上，所述不锈钢薄片和电加热片用沉降螺栓固定在所述有机玻璃板上。进一步的，在所述测试件的上表面均匀设置热电偶，所述热电偶透过所述有机玻璃板，连接到数据采集仪。进一步的，包括多个具有不同气膜冷却孔的数量和结构的实验件。本实用新型具有的有益效果是:本实用新型将气膜冷却孔板结构分为实验件和测试件两部分。通过在有机玻璃板上设置卡槽结构，实现了实验件和测试件的方便拆装。测试件由四层材料组成，在测得气膜冷却有效度的同时也可测得平板的传热系数。这样，再配合使用红外热像仪和流场可视化仪器，就可以研究气膜冷却孔口射流与主流掺混过程中复杂的流体力学行为。另外，可以此气膜冷却平板结构为基础，进行燃气轮机曲面叶片的研究。采用本实用新型可以方便简单的进行气膜冷却孔布局的优化设计。另外，本实用新型结构简单，成本较低，易于推广。
图1是本实用新型装置气膜冷却孔板的结构示意图。图2是图1中的A-A截面图。图3是本实用新型装置实验件和测试件的卡槽结构示意图。图4是是平板气膜冷却系统图图中各附图标记含义:1、气膜冷却孔，2、实验件，3、有机玻璃管，4、黑漆，5、不锈钢薄片，6、电加热片，7、有机玻璃板，8、测试件，9、沉降螺栓，10、热电偶，11、数据采集仪，12、卡槽凸件，13、卡槽凹件，14、低速直流风洞，15、热线风速仪，16、集气室，17、烟雾发生器18、涡街流量计，19、阀开关，20、水桶，21、水泵，22、恒温室，23、高压气源，24、工控计算机，25、卤灯，26、高速摄影仪，27、红外热像仪，28、三脚架。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。如图1、图2、图3所示:本实用新型的用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，包括气膜冷却孔1、实验件2、有机玻璃管3、黑漆4、不锈钢薄片5、电加热片6、有机玻璃板7、测试件8，沉降螺栓，热电偶IO，数据采集仪11，卡槽凸件12，卡槽凹件13 ;实验件2上开有气膜冷却孔1，气膜冷却孔I下方连接与其管径相同的有机玻璃管3，有机玻璃管3作为低温气体的入口，实验件2的气膜冷却孔I作为低温气体的出口，将此孔板结构放置于风洞内，风洞内流动的是高温气体，利用此孔板结构低温气体和高温气体相互掺混，一分部低温气体贴覆在测试件8表面，不锈钢薄片5和电加热片6用沉降螺栓9固定在有机玻璃板7上，在测试件8的上表面均匀设置热电偶10，热电偶10透有机玻璃板7，连接到数据采集仪11上。[0020]本实用新型的要点:以卡槽连接实验件和测试件:本实用新型为一孔板结构(见附图1)，根据实验需要将孔板分为两部分:实验件和测试件。实验件包括有机玻璃管、有机玻璃板和气膜冷却孔；在有机玻璃板上开气膜冷却孔，在气膜冷却孔的下方连接与其管径一致的有机玻璃管。测试件由四层材料组成，黑漆、不锈钢薄片、电加热片、有机玻璃板。在实验件和测试件两部分存在相同的部分即有机玻璃板。实验件全部由有机玻璃板组成厚度为15mm，测试件由四层材料组成，总厚度也是15mm，其中有机玻璃板板厚度为IOmm,在有机玻璃板下部IOmm部分做一个凹件,在实验件相同位置做一个尺寸适应的凸件。在燃气轮机叶片气膜冷却孔的优化设计的时候，需要更换不同的实验件，通过在有机玻璃板底部的卡槽，可以将实验件和测试件方便的拆装。可以测量平板传热系数的测试件结构:见附图2测试件由四层组成，其由上至下的顺序是黑漆、不锈钢薄片、电加热片、有机玻璃板。黑漆可以增加表面的反射率，不锈钢薄片导热性能良好，电加热片可以为测试件提供一个稳定、持续的热源，有机玻璃板同时起到支撑和绝热作用。热电偶被均匀焊接在加热片的下侧，穿透有机玻璃板连接到数据采集仪。以热电偶测得的温度值对红外热像仪进行校准。保持主流和射流的温度相同，电加热片通电加热且功率已知，考虑适当的热损失，通过计算加热前后平板壁面温度差，可以计算平板的传热系数。气膜有效度也可以利用此测试件结构测得:主流被加热，射流保持为环境温度，电加热片不通电，可利用红外热像仪测得壁面温度。为减少散热，四层材料之间利用沉降螺栓固定。本实用新型的工作过程如下所述:如图4所示实施例中，安装固定好本实用新型的用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，把试验研究所用的干冰放置到烟雾发生器17中，将水泵21的电源开关打开，水桶20内储存有常温的水，干冰与水混合后发生汽化，产生白色烟雾，高压气源23的空气压缩至气压值为2.5MPa至3.0Mpa，打开高压气源23的阀开关19，使高压气源23所释放的空气通过管路进入烟雾发生器17，通过涡街流量计18调整空气流量，空气和干冰烟雾进入到集气室16经过充分混合称为射流，经由有机玻璃管3，进入到气膜冷却孔内，与此同时风洞14内的空气被加热至353k左右，风速调制10m/s，称为主流，其温度值和速度值可以由热线风速仪15测得，在气膜冷却孔板的实验件2处射流和主流相互混合，并在测试件8处可以观测得到其混合情况，在测试件8处电加热片6均匀布置了热电偶10，热电偶10连接到数据采集仪11可以显示温度值，利用热电偶10测得的温度值对红外热像仪27进行校准，可以在工控计算机24上观测得到温度分布，经过数据处理之后可以得到气膜冷却孔板的气膜有效度，同时利用高速摄影仪2可以拍摄得到主流和射流的流场情况，将测试件8的电加热片6通电加热，保持风洞内主流是常温，即主流和射流的温度相同，烟雾发生器17中不加干冰且水泵不通电，利用电加热片6下布置的热电偶10和数据采集仪11测得气膜冷却孔板的壁面温度，已测得电加热片6未通电加热之前的温度且电加热片6的功率已知，考虑适当的热损失，可测得气膜冷却孔板的传热系数。经上述方法，用上述试验系统可使风洞内主流流速达到lOm/s并保持不变，射流的流速可以达到5m/s 30m/s，主流和射流可以有50k左右的温度差，射流和主流混合作用可实现对测试件8的热保护，温度场可以通过红外热像仪27和测量传热系数进行分析，流场可以通过高速摄影仪26展开讨论。实验过程中可以方便的利用卡槽结构更换实验件3，研究气膜冷却孔布局对冷却效果的作用。实验过程中测试件只有一个测试件8，可以减少系
统误差。以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，包括实验件(2)和测试件(8)，其特征在于:所述实验件(2)上设置卡槽凸件(12)，所述测试件(8)上设置卡槽凹件(13)，所述实验件(2)和测试件(8)通过所述卡槽凸件(12)和卡槽凹件(13)卡合在一起。
2.按权利要求1所述的用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，其特征在于:所述实验件(2)上设置有气膜冷却孔(1)，所述气膜冷却孔(I)下方连接与其管径相同的有机玻璃管(3 )。
3.按权利要求1所述的用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，其特征在于:所述测试件(8)包括黑漆(4)、不锈钢薄片(5)、电加热片(6)和有机玻璃片(7)，所述黑漆(4)涂在所述不锈钢薄片(5)上，所述不锈钢薄片(5)和电加热片(6)用沉降螺栓(9)固定在所述有机玻璃板(7)上。
4.按权利要求3所述的用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，其特征在于:在所述测试件(8)的上表面均匀设置热电偶(10)，所述热电偶(10)透过所述有机玻璃板(7 )，连接到数据采集仪(11)。
5.按权利要求2所述的用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，其特征在于:包括多个具有不同气膜冷却孔(I)的数量和结构的所述实验件(2)。
专利摘要本实用新型公开了一种用于研究燃气轮机叶片气膜冷却流场和温度场的孔板结构，包括实验件(2)和测试件(8)，所述实验件(2)上设置卡槽凸件(12)，所述测试件(8)上设置卡槽凹件(13)，所述实验件(2)和测试件(8)通过所述卡槽凸件(12)和卡槽凹件(13)卡合在一起，所述实验件(2)上设置有气膜冷却孔(1)和有机玻璃管(3)，所述气膜冷却孔(1)下方连接与其管径相同的所述有机玻璃管(3)，所述测试件(8)包括黑漆(4)、不锈钢薄片(5)、电加热片(6)和有机玻璃片(7)，所述黑漆(4)涂在所述不锈钢薄片(5)上。
文档编号G01M10/00GK202928778SQ20122063451
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者陈伟, 董若凌, 施红辉, 张晓东, 沈伟杰 申请人:浙江理工大学