阅读说明：本技术 一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统 (A kind of the film cooling flowing and Experimental Study of Heat Transfer Characteristics test macro of band crossing current ) 是由 张超 刘学斌 宋立明 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统,包括主流风洞本体和平板实验测试段等。主流风洞本体的气源依次连通风洞通道及平板实验测试段,平板实验测试段通过气膜孔板与冷气腔上下连通,平板实验测试段周围布置有温度采集系统及流场PIV测试系统。工作时,主流气源将主流空气送入平板实验测试段,冷气供给系统将带有示踪粒子的冷气工质送入冷气腔,经过气膜孔板流向测试壁面参与流动换热；激光器发射激光照射示踪粒子,双曝光CCD相机记录流场结构信息；关闭激光器,打开红外测试系统,红外热像仪记录测温壁面的温度分布信息。本发明对开展多孔型、多横流雷诺数和高横流密度比的横流平板气膜冷却实验机理研究具有重要意义。(Film cooling flowing and Experimental Study of Heat Transfer Characteristics test macro the invention discloses a kind of band crossing current, including mainstream wind tunnel noumenon and plate experiment test section etc..The gas source of mainstream wind tunnel noumenon is sequentially communicated wind-tunnel channel and plate experiment test section, and plate experiment test section is connected to by air film orifice plate with cold air cavity up and down, is disposed with temperature acquisition system and flow field PIV test macro around plate experiment test section.When work, primary air is sent into plate and tests test section by mainstream gas source, and the cold air working medium with trace particle is sent into cold air cavity by cool-air feed system, is flowed to test wall surface by air film orifice plate and is participated in fluid interchange；Laser emits laser irradiation trace particle, and double-exposure CCD camera records flow field structure information；Laser is closed, infrared test system is opened, thermal infrared imager records the temperature distribution information of thermometric wall surface.The present invention is of great significance to the crossing current film cooling experiment mechanism study for carrying out porous type, more crossing current Reynolds numbers and high crossing current density ratio.)

一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统

技术领域

本发明涉及一种横流平板气膜冷却实验系统，具体涉及一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统。

背景技术

燃气轮机是一种先进而复杂的成套动力机械装备，是典型的高新技术密集型产品。燃气初温是影响燃气轮机效率的重要因素，燃气初温的升高对于提高燃气轮机的效率具有重要意义。目前，航空发动机透平进口温度则超过了1800℃，以纯氢作为燃料的未来级重型燃气轮机的透平进口初温也将达到1700℃，这对燃机热端部件的耐温性能提出了更高要求。

目前常用的壁面冷却技术、热障涂层技术及耐高温材料技术得到了充分发展。作为壁面冷却技术中的重要一员，气膜冷却起到了举足轻重的作用。气膜冷却是最为直接最为有效的冷却方式，广泛应用于燃烧室、透平叶片、端壁等热端部件。目前国内外绝大多数气膜冷却相关研究均采用静止气室供气的简化方式，而在实际涡轮叶片中进气方式为横流进气，因此在横流条件下探究气膜冷却的换热机理显得尤为重要。燃气轮机叶片内部流动真实的横流密度比约为2，而根据已公开的资料显示，目前国内外对于横流研究的实验均在低密度比(1左右)工况下进行，与实际情况相差较远；另外，密度比对于气膜冷却效果影响显著，横流密度比对于气膜冷却效果影响的研究十分重要。

发明内容

为了克服以上缺点，本发明提供了一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统，该系统通过改变冷却气流温度以及使用不同密度的冷却工质实现高横流密度比；内部的温度采集系统和流场PIV测试系统能够对气膜孔下游的换热细节及流场特征精确捕捉。以上发明内容对开展多孔型、多横流雷诺数、高横流密度比的横流平板气膜冷却实验机理研究具有重要意义。

本发明采用如下技术方案实现：

一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统，包括主流风洞本体、平板实验测试段、冷气供给系统、温度采集系统和流场PIV测试系统；其中，

主流风洞本体的气源为空气压缩机，空气压缩机的出口连通风洞通道的入口，风洞通道的出口连通平板实验测试段的入口，平板实验测试段的出口连通大气环境；

冷气供给系统包括冷气腔，冷气腔位于平板实验测试段正下方，且冷气腔与平板实验测试段通过气膜孔板上下连通；

温度采集系统包括红外测试系统、热电偶和热电偶温度采集模块；红外测试系统包括红外热像仪和设置在平板实验测试段的测试壁面正上方的有红外窗口，红外热像仪正对红外窗口设置；多个热电偶分别布置于平板实验测试段内气膜孔板上游、冷气腔和测试壁面上，热电偶的输出端连接至热电偶温度采集模块；

流场PIV测试系统包括烟雾发生器、激光器和双曝光CCD相机，激光器和双曝光CCD相机垂直布置于平板实验测试段两侧；

实验进行时，空气压缩机将主流空气通过风洞通道送入平板实验测试段中；烟雾发生器将示踪粒子送入冷气供给系统的管路中，冷气与示踪粒子充分混合后被送往冷气腔，并通过气膜孔板流向测试壁面；激光器发射激光照射示踪粒子，双曝光CCD相机将记录流场结构信息；关闭激光器，打开红外测试系统，红外热像仪将记录测温壁面的温度分布信息。

本发明进一步的改进在于，主流风洞本体包括依次连通的空气压缩机、稳压罐、主流风洞减压阀、加热段、扩张段、稳压段、收缩段以及湍流格栅；加热段内设置有电加热器；稳压段内按照气体流动方向依次设置主流蜂窝整流板及阻尼网；湍流格栅用于改变平板实验测试段内气流湍流度。

本发明进一步的改进在于，稳压罐与加热段之间还设置有主流风洞减压阀。

本发明进一步的改进在于，平板实验测试段内设置有压力-湍流度测量装置。

本发明进一步的改进在于，气膜孔板为可拆卸结构，能够安装不同孔型的孔板便于开展不同气膜孔型的冷却换热实验。

本发明进一步的改进在于，冷气供给系统还包括气瓶，气瓶用于将不同密度气体经过冷气减压阀送入冷气供给系统管路，冷气减压阀出口连接前三通入口，前三通的出口分为两路，第一出口依次连接第一球阀和烟雾发生器，第二出口依次连接第二球阀和气体冷却装置；两条支路分别连接后三通的两个入口，后三通出口连通冷气腔入口；冷气腔内布置有冷气蜂窝整流板及冷气压力测量装置；冷气腔出口通过第三球阀最终通向环境大气。

本发明进一步的改进在于，后三通出口连通冷气供给系统的第一流量计后连通冷气腔入口，冷气腔出口的管道上还设置有第二流量计。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统，在具体操作时，空气压缩机将主流空气送入稳压罐中保持气源压力稳定，通过调节主流风洞减压阀使流入主流风洞内的气体满足实验温度、压力、流量要求并进入平板实验测试段。与此同时，气瓶通过阀门可将不同密度、不同流量的气体送入冷气供给系统，烟雾发生器将示踪粒子送入冷气供给管路中，与冷气充分混合后进入冷气腔经过气膜孔板流向测试壁面；激光器发射激光照射示踪粒子，双曝光CCD相机将记录流场结构信息；关闭激光器，打开红外测试系统，红外热像仪将记录测温壁面的温度分布信息。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

附图标记说明：

1为空气压缩机，2为稳压罐，3为主流风洞减压阀，4为加热段，5为扩张段，6为稳压段，7为主流蜂窝整流板，8为阻尼网，9为收缩段，10为湍流格栅，11为压力-湍流度测量装置，12为气膜孔板，13为测试壁面，14为平板实验测试段，15为气瓶，16为冷气减压阀，17为前三通，18为第一球阀，19为气体冷却装置，20为后三通，21为第一流量计，22为冷气蜂窝整流板，23为冷气腔，24为冷气压力测量装置，25为第二流量计，26为第三球阀，27为热电偶，28为热电偶温度采集模块，29为红外热像仪，30为红外窗口，31为激光器，32为双曝光CCD相机，33为第二球阀，34为烟雾发生器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明提供的一种带横流的平板气膜冷却流动及换热特性实验测试系统，包括主流风洞本体、平板实验测试段14、冷气供给系统、温度采集系统和流场PIV测试系统；其中，主流风洞本体的气源为空气压缩机1，空气压缩机1的出口连通风洞通道的入口，风洞通道的出口连通平板实验测试段14的入口，平板实验测试段14的出口连通大气环境。气膜孔板12及测试壁面13安装在平板实验测试段内。冷气供给系统包括冷气腔23，冷气腔23位于平板实验测试段14正下方，冷气腔23与平板实验测试段14通过气膜孔板12上下连通。温度采集系统包括红外测试系统、热电偶27和热电偶温度采集模块28。红外测试系统包括红外热像仪29和设置在平板实验测试段14的测试壁面13正上方的有红外窗口30，红外热像仪29正对红外窗口30设置；多个热电偶27分别布置于平板实验测试段14内气膜孔板12上游、冷气腔23和测试壁面13上，热电偶27的输出端连接至热电偶温度采集模块28。流场PIV测试系统包括烟雾发生器34、激光器31和双曝光CCD相机32，激光器31和双曝光CCD相机32垂直布置于平板实验测试段14两侧。实验进行时，空气压缩机1将主流空气通过风洞通道送入平板实验测试段14中；烟雾发生器34将示踪粒子送入冷气供给管路中，冷气与示踪粒子充分混合后被送往冷气腔23并通过气膜孔板12流向测试壁面13；激光器31发射激光照射示踪粒子，双曝光CCD相机32将记录流场结构信息；关闭激光器31，打开红外测试系统，红外热像仪29将记录测温壁面13的温度分布信息。

所述的主流风洞本体包括依次连通的空气压缩机1、稳压罐2、主流风洞减压阀3、加热段4、扩张段5、稳压段6、收缩段9以及湍流格栅10。其中，空气压缩机1流出的空气进入稳压罐2内保持压力稳定，经过主流风洞加压阀3后满足实验压力、流量要求的主流气体进入加热段4内升温。高温主流空气经扩张段5进入稳压段6内，主流速度降低并依次通过主流蜂窝整流板7及阻尼网8降低湍流度。主流进入收缩段9后流速增加，通过湍流格栅10增加湍流度以满足平板实验测试段14内对气体湍流度的要求。

所述的平板实验测试段14内设置有压力-湍流度测量装置11。气膜孔板12为可拆卸设计，可以安装不同孔型的孔板便于开展不同气膜孔型的冷却换热实验。

所述的冷气供给系统还包括气瓶15，气瓶15可将不同密度气体工质经过冷气减压阀16送入冷气供给系统管路，冷气减压阀16可根据实验所需的雷诺数调整流量。从冷气减压阀16流出后一路通过前三通17第一出口流向第一球阀33和烟雾发生器34；另一路通过前三通17第二出口流向第二球阀18和气体冷却装置19。经过冷却的气体工质与带有示踪粒子的气流在管道中充分混合后经过第一流量计21进入冷气腔23。带有示踪粒子的冷却气体工质经过冷气蜂窝整流板22后湍流度降低，一部分通过气膜孔板12进入平板实验测试段14参与气膜冷却流动换热，另一部分从冷气腔23出口流出，分别经过第二流量计25及第三球阀26并最终进入大气环境。冷气腔23内设置有压力测量装置24，第三球阀26可将冷气腔23内的工质压力维持一定值，便于压力的测量。

所述的平板实验测试段14内的压力-湍流度测量装置11和冷气腔23内的压力测量装置24均采用压力变送器实现对气体压力的测量；压力-湍流度测量装置11采用二维恒温热线测速仪(CTA)测量湍流度；冷气供给系统中气瓶15内分别装有氮气、二氧化碳和六氟化硫气体用以调节实验所需的不同横流密度比。

所述的扩张段5、稳压段6和收缩段9均采用高温合金制成，通道内壁喷覆有隔热涂层，冷气供给系统管道外表面包覆石棉；平板实验测试段14采用有机玻璃制成；温度测试系统中的红外窗口30采用氟化钙(CaF)材质窗口；主流蜂窝整流板7和冷气蜂窝整流板22均采用铝质蜂窝整流板；阻尼网8采用200目的304钢网。

本发明的具体操作过程为：

在平板实验测试段14内安装需要测试的气膜孔板12，打开连接热电偶27的热电偶温度采集模块28，实时记录气膜孔板12上游、冷气腔23和测试壁面13上的温度值。开启空气压缩机1将空气送入稳压罐2维持压力恒定，调节主流风洞减压阀3和加热段4内的加热器，将满足实验温度、流量、压力要求的主流空气送入平板实验测试段14，实现主流环境并维持稳定。调节气罐15内气体工质比例，打开冷气减压阀16将一定压力的气体工质送入冷气供给系统。分别打开并调节第一球阀33和第二球阀18调节流经烟雾发生器34和气体冷却装置19的气体工质，使其满足实验对雷诺数的要求。调节第三球阀26将冷气腔23内的工质压力维持一定值，便于压力的测量；通过第一流量计21和第二流量计25的流量差计算流经气膜孔板12的气体流量。打开激光器31发射激光照亮平板实验测试段14内的示踪粒子，双曝光CCD相机对示踪粒子的运动行为进行连续拍照，获得清晰的粒子场图片，通过图像重构及互相关算法获得气膜孔下游流场结构信息；关闭激光器31，打开红外测试系统，红外热像仪29将记录测温壁面的温度分布信息。