專利名稱：用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻研究裝置，特別涉及一種用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)存在進(jìn)口溫度提高和葉片耐熱性能局限的矛盾:碳?xì)淙剂系娜紵芰墒雇钙竭M(jìn)口溫度達(dá)到2230°C，超出制造材料的允許值，為此，該溫度值一般被控制在1900°C以下。葉片等的安全用冷卻技術(shù)來保障，氣膜冷卻即為其一。氣膜冷卻可提高燃?xì)廨啓C(jī)效率和使用壽命。這是因為依據(jù)熱力學(xué)原理，提高透平進(jìn)口工質(zhì)溫度將使設(shè)備作功增加，材料的高溫耐受能力限制著燃料燃燒能的充分利用，實施氣膜冷卻將隔離熱工質(zhì)與通流部件，可以在獲得燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口高溫的同時確保設(shè)備安全。氣膜冷卻效果主要依賴于冷卻工質(zhì)和高溫燃?xì)獾膲罕取乇群蜌饽だ鋮s葉片上的冷卻孔的位置、形狀與分布。而在典型的燃?xì)廨啓C(jī)葉片中，壓比和溫比取值范圍相對固定，另外一般在給定壓比下溫比越低，氣膜冷卻保護(hù)效果越好，然而在給定溫比下壓比越高氣膜冷卻保護(hù)效果越好(發(fā)生射流抬離情況除外)。因此為了設(shè)計出更好的葉片氣膜冷卻模式，應(yīng)該更加注重研究氣膜孔的位置、分布、角度和形狀對氣膜冷卻效果的影響。目前對燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻方面的研究逐漸增多，但由于條件限制，較多采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行考察。在實驗研究方面，考慮到真實葉片加工存在困難，而平板模型可以用來相對容易的研究各個參數(shù)的影響，同時它的投資也不高，并且經(jīng)過證實試驗結(jié)果在稍許修正后就可以運用于實際。所以，在平板上開氣膜冷卻孔即利用孔板結(jié)構(gòu)，進(jìn)行氣膜冷卻流場和溫度場的實驗研究，是未來優(yōu)化設(shè)計的重要手段和發(fā)展方向?，F(xiàn)有氣膜冷卻技術(shù)的研究，或者較多側(cè)重于新型氣膜冷卻孔型的開發(fā)或者較多側(cè)重于整個氣膜冷卻實驗系統(tǒng)的開發(fā)，較少針對氣膜冷卻平板展開專門的研究。氣膜冷卻平板是熱量和動量交換的重要場所，平板上冷卻孔的布局直接影響氣膜冷卻效果，平板上冷卻效果的測試是評判氣膜冷卻技術(shù)的依據(jù)。在進(jìn)行冷卻孔的布局研究時，必然要更換多個孔板，孔板如何方便的與測試部分相連是需要考慮的問題之一。另外在評判氣膜冷卻技術(shù)時，多是定義一個無量綱參數(shù)——氣膜冷卻有效度(或稱為氣膜冷卻效率)，而傳熱系數(shù)能更加準(zhǔn)確的表示平板與外界的傳熱量，如何精確的測量平板的傳熱系數(shù)則是需要考慮的問題之二。

實用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種孔板結(jié)構(gòu)，它能提供將開孔位置與測試部分方便的連接方法，以及測量平板傳熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)。本實用新型適用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻孔布局的優(yōu)化設(shè)計。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是:一種用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，包括實驗件和測試件，所述實驗件上設(shè)置卡槽凸件，所述測試件上設(shè)置卡槽凹件，所述實驗件和測試件通過所述卡槽凸件和卡槽凹件卡合在一起。進(jìn)一步的，所述實驗件上設(shè)置有氣膜冷卻孔，所述氣膜冷卻孔下方連接與其管徑相同的有機(jī)玻璃管。進(jìn)一步的，所述測試件包括黑漆、不銹鋼薄片、電加熱片和有機(jī)玻璃片，所述黑漆涂在所述不銹鋼薄片上，所述不銹鋼薄片和電加熱片用沉降螺栓固定在所述有機(jī)玻璃板上。進(jìn)一步的，在所述測試件的上表面均勻設(shè)置熱電偶，所述熱電偶透過所述有機(jī)玻璃板，連接到數(shù)據(jù)采集儀。進(jìn)一步的，包括多個具有不同氣膜冷卻孔的數(shù)量和結(jié)構(gòu)的實驗件。本實用新型具有的有益效果是:本實用新型將氣膜冷卻孔板結(jié)構(gòu)分為實驗件和測試件兩部分。通過在有機(jī)玻璃板上設(shè)置卡槽結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了實驗件和測試件的方便拆裝。測試件由四層材料組成，在測得氣膜冷卻有效度的同時也可測得平板的傳熱系數(shù)。這樣，再配合使用紅外熱像儀和流場可視化儀器，就可以研究氣膜冷卻孔口射流與主流摻混過程中復(fù)雜的流體力學(xué)行為。另外，可以此氣膜冷卻平板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)曲面葉片的研究。采用本實用新型可以方便簡單的進(jìn)行氣膜冷卻孔布局的優(yōu)化設(shè)計。另外，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于推廣。

圖1是本實用新型裝置氣膜冷卻孔板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中的A-A截面圖。圖3是本實用新型裝置實驗件和測試件的卡槽結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是是平板氣膜冷卻系統(tǒng)圖圖中各附圖標(biāo)記含義:1、氣膜冷卻孔，2、實驗件，3、有機(jī)玻璃管，4、黑漆，5、不銹鋼薄片，6、電加熱片，7、有機(jī)玻璃板，8、測試件，9、沉降螺栓，10、熱電偶，11、數(shù)據(jù)采集儀，12、卡槽凸件，13、卡槽凹件，14、低速直流風(fēng)洞，15、熱線風(fēng)速儀，16、集氣室，17、煙霧發(fā)生器18、渦街流量計，19、閥開關(guān)，20、水桶，21、水泵，22、恒溫室，23、高壓氣源，24、工控計算機(jī)，25、鹵燈，26、高速攝影儀，27、紅外熱像儀，28、三腳架。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步說明。如圖1、圖2、圖3所示:本實用新型的用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，包括氣膜冷卻孔1、實驗件2、有機(jī)玻璃管3、黑漆4、不銹鋼薄片5、電加熱片6、有機(jī)玻璃板7、測試件8，沉降螺栓，熱電偶IO，數(shù)據(jù)采集儀11，卡槽凸件12，卡槽凹件13 ;實驗件2上開有氣膜冷卻孔1，氣膜冷卻孔I下方連接與其管徑相同的有機(jī)玻璃管3，有機(jī)玻璃管3作為低溫氣體的入口，實驗件2的氣膜冷卻孔I作為低溫氣體的出口，將此孔板結(jié)構(gòu)放置于風(fēng)洞內(nèi)，風(fēng)洞內(nèi)流動的是高溫氣體，利用此孔板結(jié)構(gòu)低溫氣體和高溫氣體相互摻混，一分部低溫氣體貼覆在測試件8表面，不銹鋼薄片5和電加熱片6用沉降螺栓9固定在有機(jī)玻璃板7上，在測試件8的上表面均勻設(shè)置熱電偶10，熱電偶10透有機(jī)玻璃板7，連接到數(shù)據(jù)采集儀11上。[0020]本實用新型的要點:以卡槽連接實驗件和測試件:本實用新型為一孔板結(jié)構(gòu)(見附圖1)，根據(jù)實驗需要將孔板分為兩部分:實驗件和測試件。實驗件包括有機(jī)玻璃管、有機(jī)玻璃板和氣膜冷卻孔；在有機(jī)玻璃板上開氣膜冷卻孔，在氣膜冷卻孔的下方連接與其管徑一致的有機(jī)玻璃管。測試件由四層材料組成，黑漆、不銹鋼薄片、電加熱片、有機(jī)玻璃板。在實驗件和測試件兩部分存在相同的部分即有機(jī)玻璃板。實驗件全部由有機(jī)玻璃板組成厚度為15mm，測試件由四層材料組成，總厚度也是15mm，其中有機(jī)玻璃板板厚度為IOmm,在有機(jī)玻璃板下部IOmm部分做一個凹件,在實驗件相同位置做一個尺寸適應(yīng)的凸件。在燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻孔的優(yōu)化設(shè)計的時候，需要更換不同的實驗件，通過在有機(jī)玻璃板底部的卡槽，可以將實驗件和測試件方便的拆裝?？梢詼y量平板傳熱系數(shù)的測試件結(jié)構(gòu):見附圖2測試件由四層組成，其由上至下的順序是黑漆、不銹鋼薄片、電加熱片、有機(jī)玻璃板。黑漆可以增加表面的反射率，不銹鋼薄片導(dǎo)熱性能良好，電加熱片可以為測試件提供一個穩(wěn)定、持續(xù)的熱源，有機(jī)玻璃板同時起到支撐和絕熱作用。熱電偶被均勻焊接在加熱片的下側(cè)，穿透有機(jī)玻璃板連接到數(shù)據(jù)采集儀。以熱電偶測得的溫度值對紅外熱像儀進(jìn)行校準(zhǔn)。保持主流和射流的溫度相同，電加熱片通電加熱且功率已知，考慮適當(dāng)?shù)臒釗p失，通過計算加熱前后平板壁面溫度差，可以計算平板的傳熱系數(shù)。氣膜有效度也可以利用此測試件結(jié)構(gòu)測得:主流被加熱，射流保持為環(huán)境溫度，電加熱片不通電，可利用紅外熱像儀測得壁面溫度。為減少散熱，四層材料之間利用沉降螺栓固定。本實用新型的工作過程如下所述:如圖4所示實施例中，安裝固定好本實用新型的用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，把試驗研究所用的干冰放置到煙霧發(fā)生器17中，將水泵21的電源開關(guān)打開，水桶20內(nèi)儲存有常溫的水，干冰與水混合后發(fā)生汽化，產(chǎn)生白色煙霧，高壓氣源23的空氣壓縮至氣壓值為2.5MPa至3.0Mpa，打開高壓氣源23的閥開關(guān)19，使高壓氣源23所釋放的空氣通過管路進(jìn)入煙霧發(fā)生器17，通過渦街流量計18調(diào)整空氣流量，空氣和干冰煙霧進(jìn)入到集氣室16經(jīng)過充分混合稱為射流，經(jīng)由有機(jī)玻璃管3，進(jìn)入到氣膜冷卻孔內(nèi)，與此同時風(fēng)洞14內(nèi)的空氣被加熱至353k左右，風(fēng)速調(diào)制10m/s，稱為主流，其溫度值和速度值可以由熱線風(fēng)速儀15測得，在氣膜冷卻孔板的實驗件2處射流和主流相互混合，并在測試件8處可以觀測得到其混合情況，在測試件8處電加熱片6均勻布置了熱電偶10，熱電偶10連接到數(shù)據(jù)采集儀11可以顯示溫度值，利用熱電偶10測得的溫度值對紅外熱像儀27進(jìn)行校準(zhǔn)，可以在工控計算機(jī)24上觀測得到溫度分布，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后可以得到氣膜冷卻孔板的氣膜有效度，同時利用高速攝影儀2可以拍攝得到主流和射流的流場情況，將測試件8的電加熱片6通電加熱，保持風(fēng)洞內(nèi)主流是常溫，即主流和射流的溫度相同，煙霧發(fā)生器17中不加干冰且水泵不通電，利用電加熱片6下布置的熱電偶10和數(shù)據(jù)采集儀11測得氣膜冷卻孔板的壁面溫度，已測得電加熱片6未通電加熱之前的溫度且電加熱片6的功率已知，考慮適當(dāng)?shù)臒釗p失，可測得氣膜冷卻孔板的傳熱系數(shù)。經(jīng)上述方法，用上述試驗系統(tǒng)可使風(fēng)洞內(nèi)主流流速達(dá)到lOm/s并保持不變，射流的流速可以達(dá)到5m/s 30m/s，主流和射流可以有50k左右的溫度差，射流和主流混合作用可實現(xiàn)對測試件8的熱保護(hù)，溫度場可以通過紅外熱像儀27和測量傳熱系數(shù)進(jìn)行分析，流場可以通過高速攝影儀26展開討論。實驗過程中可以方便的利用卡槽結(jié)構(gòu)更換實驗件3，研究氣膜冷卻孔布局對冷卻效果的作用。實驗過程中測試件只有一個測試件8，可以減少系
統(tǒng)誤差。以上所述及圖中所示的僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以作出若干變型和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，包括實驗件(2)和測試件(8)，其特征在于:所述實驗件(2)上設(shè)置卡槽凸件(12)，所述測試件(8)上設(shè)置卡槽凹件(13)，所述實驗件(2)和測試件(8)通過所述卡槽凸件(12)和卡槽凹件(13)卡合在一起。
2.按權(quán)利要求1所述的用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述實驗件(2)上設(shè)置有氣膜冷卻孔(1)，所述氣膜冷卻孔(I)下方連接與其管徑相同的有機(jī)玻璃管(3 )。
3.按權(quán)利要求1所述的用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述測試件(8)包括黑漆(4)、不銹鋼薄片(5)、電加熱片(6)和有機(jī)玻璃片(7)，所述黑漆(4)涂在所述不銹鋼薄片(5)上，所述不銹鋼薄片(5)和電加熱片(6)用沉降螺栓(9)固定在所述有機(jī)玻璃板(7)上。
4.按權(quán)利要求3所述的用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，其特征在于:在所述測試件(8)的上表面均勻設(shè)置熱電偶(10)，所述熱電偶(10)透過所述有機(jī)玻璃板(7 )，連接到數(shù)據(jù)采集儀(11)。
5.按權(quán)利要求2所述的用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括多個具有不同氣膜冷卻孔(I)的數(shù)量和結(jié)構(gòu)的所述實驗件(2)。
專利摘要本實用新型公開了一種用于研究燃?xì)廨啓C(jī)葉片氣膜冷卻流場和溫度場的孔板結(jié)構(gòu)，包括實驗件(2)和測試件(8)，所述實驗件(2)上設(shè)置卡槽凸件(12)，所述測試件(8)上設(shè)置卡槽凹件(13)，所述實驗件(2)和測試件(8)通過所述卡槽凸件(12)和卡槽凹件(13)卡合在一起，所述實驗件(2)上設(shè)置有氣膜冷卻孔(1)和有機(jī)玻璃管(3)，所述氣膜冷卻孔(1)下方連接與其管徑相同的所述有機(jī)玻璃管(3)，所述測試件(8)包括黑漆(4)、不銹鋼薄片(5)、電加熱片(6)和有機(jī)玻璃片(7)，所述黑漆(4)涂在所述不銹鋼薄片(5)上。
文檔編號G01M10/00GK202928778SQ20122063451
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月27日
發(fā)明者陳偉, 董若凌, 施紅輝, 張曉東, 沈偉杰 申請人:浙江理工大學(xué)