专利名称：一种测量含化学热沉气膜冷却效率的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量含化学热沉气膜冷却效率的方法和装置，可以对含化学热沉气膜冷却的流动与换热情况进行研究。
背景技术：
在中国专利200910079776. 6 (梁世强，雷兢，淮秀兰一种航空发动机涡轮叶片气膜冷却方法)中，提出一种航空发动机涡轮叶片保护方法-含化学热沉的气膜冷却方法。该方法是将冷却工质从气膜孔射入叶片表面，被主流燃气加热，在保护性气膜边界层内部引发吸热分解反应生成多种气体混合在一起。这时产生的混合气体铺展在叶片表面，阻碍热量从主流燃气向涡轮叶片表面传递，对叶片表面起到很好的保护，分解吸收热量相当于在对流换热的能量方程中引入内热源项(热汇)，减弱主流与叶片壁面之间的对流换热。图1是上述方法中含化学热沉的气膜冷却示意图。虽然含化学热沉气膜冷却的流动与换热可以对航空发动机涡轮叶片起到保护，但目前还缺少对含化学热沉气膜冷却的流动与换热情况进行研究的测量装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量含化学热沉气膜冷却效率的装置。本发明的又一目的在于提供一种用于测量含化学热沉气膜冷却效率的方法。为实现上述目的，本发明提供的测量含化学热沉气膜冷却效率的装置，主要由主流供气部分、冷却工质供气部分、气膜冷却平板和实验测量部分组成；其中主流供气部分一燃烧室，分别连接油箱和换热器，并通过换热器连接一引风机，该引风机的出风口连接稳压箱；换热器中设有冷却水通道；冷却工质供应部分一反应釜，内装有冷却工质；具有不同规格且可更换的气膜冷却平板，气膜冷却平板的底板上开有气膜孔，气膜孔下游的底板布置热电偶阵列；上述引风机的出风口通过稳压箱连接至气膜冷却平板；上述反应釜的气体出口连接至气膜冷却平板；实验测量部分主流供气部分的引风机出风口和反应釜的气体出口均设有流量计，压力传感器和温度传感器；所有温度传感器、流量计和压力传感器均通过数据采集模块和数据转换装置采集至计算机。所述的装置，其中，稳压箱后连接一整流栅格。所述的装置，其中，不同规格的气膜冷却平板是指每个气膜冷却平板的底板上开设的气孔膜形状、气膜孔数量和气膜孔的入射角度均不相同。所述的装置，其中，反应釜为恒温油浴反应釜，反应釜内设有电加热棒；反应釜上设置有电动螺旋旋进式的填料口，以防止草酸气体从填料口泄漏；反应釜内有搅拌器对草酸固体进行搅拌，增大草酸固体与油浴的接触面积，使其充分吸收热量。所述的装置，其中，气膜冷却平板用保温棉进行包裹保温，防止热量散失。本发明提供的利用上述装置进行测量含化学热沉气膜冷却效率的方法燃烧室燃烧产生的主流烟气在引风机的作用下，经过稳压箱和整流栅格形成稳定的气流后进入气膜冷却平板，同时冷却工质加热升华进入气膜冷却平板被主流烟气加热，发生吸热反应，从而对壁面进行保护；通过调整主流烟气和冷却工质的温度、流量，同时更换不同规格的气膜冷却平板，由温度传感器、流量计和压力传感器所测得的数据经计算机处理分析，获得不同条件下气膜冷却效率和温度场分布，得出含化学热沉气膜冷却的流动与换热情况。所述的方法，其中，通过调节换热器中冷却通道的冷却水流量调整主流烟气的温度。所述的方法，其中，主流烟气的流量通过调整引风机的出口旁路阀门开度进行调节。所述的方法，其中，冷却工质的流量通过调整反应釜的出口旁路阀门开度进行调节。所述的方法，其中，反应釜内冷却工质流量的改变通过调整反应釜的加热功率，改变恒温油浴的温度，影响冷却工质升华的速率来实现。通过本发明的装置和方法，可以对含化学热沉气膜冷却的流动与换热情况进行研究。
图1是公知技术中含化学热沉的气膜冷却示意图。图2是本发明的测量含化学热沉气膜冷却效率的装置结构示意图。图3是图2中的气膜冷却平板的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的描述。请参阅图2和图3。本发明的测量装置主要包括四个部分主流供气部分，冷却工质供气部分、气膜冷却平板和实验测量部分。主流供气部分主要包括油箱10、燃烧室(内设燃烧器)11、换热器12、引风机13、流量计14和稳压箱(内设整流栅格)15。燃烧室11分别连接油箱10和换热器12，并通过换热器12连接一引风机13，该引风机13的出风口将主流烟气连接稳压箱14 ;换热器12中设有冷却水通道。油箱10里的油通过燃烧室11内燃烧器上的油泵喷射到燃烧室11，并被燃烧器点火引燃，在燃烧室11燃烧产生高温烟气。在引风机13的作用下，高温的主流烟气进入稳压箱(和整流栅格)15形成稳定的气流，随后进入气膜冷却平板30组成的实验段。进入燃烧室11的油量可以通过油泵的油压进行调节。换热器12中的冷却是以水作为冷却介质，通过调节冷却水的流量可以调节主流烟气的温度。主流烟气的流量通过引风机13出口处的旁路阀门16调节。
冷却工质供应部分主要包括反应釜20和流量计21，反应釜20内装有冷却工质(本实施例以草酸为例)，反应釜的气体出口连接至气膜冷却平板30组成的实验段。草酸在189. 5°C能吸收热量分解生成二氧化碳、一氧化碳和水，而且生成的混合气体也能在涡轮叶片的壁面形成保护膜，对主流和壁面形成隔离，符合含化学热沉气膜冷却对冷却工质的要求。但由于草酸在常温常压下是无色单斜片状或棱柱体结晶或白色粉末，加热到100°C开始升华，125°C迅速升华，157°C大量升华，因此，需要对草酸固体进行加热后使其变为气体才能使用。为此，本发明的反应釜20是一个恒温油浴反应釜，油浴内有电加热棒，通过改变电加热棒的电压和电流，可以改变加热功率，从而改变恒温油浴的温度。反应釜20上设置一个电动螺旋旋进式的填料口，填料口是防止草酸气体从该处泄漏。草酸固体通过该填料口进入反应釜20内，吸收油浴传递进来的热量进而升华，并且在反应釜20内有搅拌器对草酸固体进行搅拌，增大草酸固体与油浴的接触面积，使其充分吸收热量。草酸固体进入反应釜，温度达到120°C _150°C范围时开始大量升华，在反应釜内形成足够高的压力。在该压力的驱动下，草酸气体进入气膜冷却平板组成的实验段，同时被主流高温烟气加热，发生吸热反应，从而对壁面进行保护。冷却工质的流量通过反应釜20出口的旁路阀门22进行调节。气膜冷却平板30是本发明的实验段，其结构如图3所示，底板31开有气膜孔32。气膜冷却平板30可以预先制成不同规格的若干个，每种规格的气膜冷却平板30上的气膜孔32的形状和数量不同，且气膜孔32的入射角度也不相同。气膜冷却平板30的前端33通过法兰与实验装置中主流供气部分的稳压箱15连接，气膜冷却平板30的下端34与冷却工质供应部分的流量计21连接。这样便于更换不同形状和数目的气膜孔、入射角度等不同结构的气膜冷却平板30。气膜孔32下游的底板下表面布置热电偶阵列(图中未示)，用来测量气膜孔下游温度。气膜冷却平板30整体用保温棉包裹，防止热量通过底层表面向外界散发。实验测量部分主要包括温度测量、压力测量、主流流量测量、气膜冷却平板的表面温度测量。主流和冷却工质的温度主要靠热电偶测量，压力主要靠压力传感器进行测量，气膜冷却平板的表面温度通过热电偶阵列进行测量。主流的流量通过流量计14进行测量，流量计14采用的是V锥流量计，冷却工质的流量通过流量计21进行测量，流量计21采用的是涡街流量计。所有采集的数据通过数据采集通道显示并储存在电脑上，进行统一管理和控制。通过本发明的的测量装置和测量方法，可以对含化学热沉的气膜冷却方法进行实验研究，获得不同条件下气膜冷却效率和温度场分布，为日后的实际应用提供依据。
权利要求
1.一种测量含化学热沉气膜冷却效率的装置，主要由主流供气部分、冷却工质供气部分、气膜冷却平板和实验测量部分组成；其中: 主流供气部分:一燃烧室，分别连接油箱和换热器，并通过换热器连接一引风机，该引风机的出风口连接稳压箱；换热器中设有冷却水通道； 冷却工质供应部分:一反应釜，内装有冷却工质； 具有不同规格且可更换的气膜冷却平板，气膜冷却平板的底板上开有气膜孔，气膜孔下游的底板布置热电偶阵列； 上述引风机的出风口通过稳压箱连接至气膜冷却平板； 上述反应釜的气体出口连接至气膜冷却平板； 实验测量部分:主流供气部分的引风机出风口和反应釜的气体出口均设有流量计、压力传感器和温度传感器； 所有温度传感器、流量计和压力传感器均通过数据采集模块和数据转换装置采集至计算机。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，稳压箱后连接一整流栅格。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，不同规格的气膜冷却平板是指每个气膜冷却平板的底板上开设的气孔膜形状、气膜孔数量和气膜孔的入射角度均不相同。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，反应釜为恒温油浴反应釜，反应釜内设有电加热棒；反应釜上设置有电动螺旋旋进式的填料口，以防止草酸气体从填料口泄漏；反应釜内有搅拌器对草酸固体进行搅拌，增大草酸固体与油浴的接触面积，使其充分吸收热量。`
5.根据权利要求1所述的装置，其中，气膜冷却平板用保温棉进行包裹保温，防止热量散失。
6.利用权利要求1所述装置进行测量含化学热沉气膜冷却效率的方法: 燃烧室燃烧产生的主流烟气在引风机的作用下，经过稳压箱和整流栅格形成稳定的气流后进入气膜冷却平板，同时冷却工质加热升华进入气膜冷却平板被主流烟气加热，发生吸热反应，从而对壁面进行保护；通过调整主流烟气和冷却工质的温度、流量，同时更换不同规格的气膜冷却平板，由温度传感器、流量计和压力传感器所测得的数据经计算机处理分析，获得不同条件下气膜冷却效率和温度场分布，得出含化学热沉气膜冷却的流动与换热情况。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过调节换热器中冷却通道的冷却水流量调整主流烟气的温度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，主流烟气的流量通过调整引风机的出口旁路阀门开度进行调节。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，冷却工质的流量通过调整反应釜的出口旁路阀门开度进行调节。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，反应釜内冷却工质流量的改变通过调整反应釜的加热功率，改变恒温油浴的温度，影响冷却工质升华的速率来实现。
全文摘要
一种测量含化学热沉气膜冷却效率的装置，主要由主流供气部分、冷却工质供气部分、气膜冷却平板和实验测量部分组成。通过本发明的的测量装置和测量方法，可以对含化学热沉的气膜冷却方法进行实验研究，获得不同条件下气膜冷却效率和温度场分布，为日后的实际应用提供依据。
文档编号G01N25/42GK103076362SQ20131000704
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者成克用, 淮秀兰, 梁世强, 蔡军 申请人:中国科学院工程热物理研究所