阅读说明：本技术 一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统 (Rotary experiment system for simulating turbine blade cooling ) 是由 张荻 朱发挥 赵名星 谢永慧 于 2021-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统,包括供气模块、旋转模块和测试模块,实现对透平叶片旋转内部冷却通道的流动传热特性的实验研究。本发明结构小巧紧凑、旋转连接可靠,采用频闪拍照和液晶测温技术,无需在通道中布置金属换热板,大大减小了通道尺寸,实验更加便捷,易于操控；在旋转试验段采用平键槽的方式对轴与转接头进行周向配合,便于转接头和试验段的拆卸安装；在旋转试验段插入高强度高韧度的有机玻璃形成传热拍摄面,使得整个实验过程可视化；同时,采用液晶测温技术可以实现动态测量,实时反应温度变化,极大地提高了实验结果的准确性、可靠性和精确性,解决了现有实验装置对真实工作条件下透平叶片冷却传热研究的不足。(The invention discloses a rotary experiment system for simulating turbine blade cooling, which comprises an air supply module, a rotary module and a test module, and realizes experimental research on the flow heat transfer characteristic of a cooling channel in the turbine blade rotation. The invention has small and compact structure and reliable rotary connection, adopts stroboscopic photographing and liquid crystal temperature measurement technologies, does not need to arrange a metal heat exchange plate in a channel, greatly reduces the size of the channel, is more convenient and faster to experiment and is easy to control; the shaft and the adapter are circumferentially matched in the rotating test section in a flat key groove mode, so that the adapter and the test section are convenient to disassemble and assemble; organic glass with high strength and high toughness is inserted into the rotary test section to form a heat transfer shooting surface, so that the whole experiment process is visualized; meanwhile, dynamic measurement can be realized by adopting a liquid crystal temperature measurement technology, temperature change is reflected in real time, the accuracy, reliability and precision of an experimental result are greatly improved, and the defect of the conventional experimental device in researching the cooling and heat transfer of the turbine blade under the real working condition is overcome.)

一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统

技术领域

本发明属于透平叶片冷却技术领域，特别涉及一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统。

背景技术

燃气轮机装置由于其紧凑、高效、灵活等优点被广泛应用于化工、能源领域，而燃机叶片作为燃气轮机的核心部件，其工作环境十分恶劣。目前先进燃机的进口温度远远超过了叶片材料的许用温度，为保证叶片的正常工作，需要在叶片内部布置各种冷却通道以降低燃机叶片温度。

通过模化实验测试来获取不同冷却通道内的传热性能是研发燃机叶片的重要环节。常规的传热实验系统大多在静止状态下对冷却通道的传热性能进行研究，而燃机叶片实际处于旋转状态下工作。旋转产生的离心力、科氏力等会对流动换热产生影响。以往的静止实验系统忽略了燃机叶片在实际工程中产生的旋转效应，无法精确真实地模拟燃机叶片实际工作状态。相比之下，旋转实验系统将旋转效应带来的影响均考虑在内，可以将叶片的工作状态更准确的模拟出来。

在流场测温方面，传统实验系统测温往往采用热电偶测温、红外测温等技术。热电偶测温技术更适合于点测温，但要测量旋转态的透平叶片冷却通道温度场却很难实施；红外测温技术虽是场测温技术,但却很难实现测试设备既不扰动流场又精准测量的目的。相比之下，液晶测温技术采用非接触测量方式，避免了对流场的干扰，同时具有空间分辨率高、测量精度高、反应速度快、实现实时测温等优点，可以很好地应用于旋转传热试验系统的温度测量。

目前对旋转态透平叶片流动换热的研究,主要集中在数值模拟、利用压敏漆技术、研究相似模型等方面，然而为了更好地研究透平叶片冷却通道的流动传热特性，最好是对温度场进行拍摄。由于实验方法和测试设备相对复杂，目前采用频闪拍照实时测温的方式对透平叶片冷却通道进行流动传热特性研究的工作很少。因此，迫切需要一套更为有效、精确的旋转传热试验系统对透平叶片冷却通道实现可视化地动态测量，为高温透平叶片内部冷却结构设计提供更加真实的测试数据。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，实现了对透平叶片旋转内部冷却通道的流动传热特性的实验研究。本发明结构小巧紧凑、旋转连接可靠，实验段结构具有拆卸便捷性，同时实现了实验过程的可视化和动态测量，实时反应温度变化，极大地提高了对透平叶片内部冷却通道传热性能研究的准确性、可靠性和精确性。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，包括供气模块、旋转模块和测试模块；

供气模块用于为旋转模块提供稳定的加热空气；

旋转模块包括旋转接头、轴承座、旋转试验段、平衡块和驱动装置，来自供气模块的空气通过旋转接头进入旋转轴中，然后经十字型接头进入旋转试验段，在旋转试验段的另一侧对称安装平衡块以实现动平衡，驱动装置用于驱动旋转试验段的旋转并控制转速；

测试模块包括热电偶、红外光电传感器、导电滑环、CCD相机、频闪闪光灯和数据处理计算机，热电偶可以测得旋转试验段进口、出口的温度，红外光电传感器用于监测旋转试验段的位置，通过导电滑环来采集得到的旋转试验段进出口温度以及位置信号，并将信号传递给数据处理计算机；当通道到达拍照位置时，数据处理计算机向频闪闪光灯和CCD相机发送信号，两者同时开启，完成一幅图片的拍摄，通过拍摄连续时间段内的多张图片，计算处理得到传热面的传热系数分布。

本发明进一步的改进在于，供气模块包括依次连通的气泵、储气罐、气体整流过滤网和气体加热器。

本发明进一步的改进在于，供气模块还包括与气体加热器连通的三通电磁阀，空气通过气泵进入储气罐，随后经过气体整流过滤网成为稳定均匀气流，再进入管式气体加热器中获得温升，三通电磁阀通过阀门的切换实现瞬态温升。

本发明进一步的改进在于，供气模块还包括温度控制器，气体加热器通过温度控制器调节温度。

本发明进一步的改进在于，供气模块还包括气体流量计和压力表，气体流量计用于采集流量数据并据此调整气泵，压力表用于采集旋转接头前的压力，据此校准并推算旋转试验段的进口压力，进而计算得到通道的摩擦阻力系数。

本发明进一步的改进在于，驱动装置包括电机和皮带，电机通过皮带驱动旋转轴旋转并控制转速。

本发明进一步的改进在于，旋转试验段内部结构由不锈钢外壳与有机玻璃组成；旋转试验段流道外部主体由不锈钢构成，不锈钢外壳中设置有两个插槽，用于将有机玻璃插入插槽，并设置有顶板即可；下边的有机玻璃为传热拍摄面，在其表面喷涂有液晶，用于从上方拍摄，使实验过程可视化。

本发明进一步的改进在于，十字型接头内部结构包括旋转轴、方形开口、圆形通孔、平键槽、轴端螺纹、通孔和轴肩；为保证旋转轴在旋转状态下的强度，将旋转轴在连接段区域的外径增大；旋转轴连接段左端设置有轴肩，用于转接头的轴向定位，右端设有轴端螺纹，通过锁紧螺母实现转接头的轴向定位；在旋转轴的上侧开设有方形开口，内部开设有圆形通孔，形成流动通路；旋转轴内部开设有通孔，用于线路布置；在旋转轴的下侧开有平键槽，用于旋转轴与转接头的周向配合安装。

本发明进一步的改进在于，旋转试验段传热数据的测试采用频闪拍照和液晶测温技术，通过拍摄连续时间段内的多张图片，计算得到传热面的传热系数分布。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明一种模拟透平叶片内部冷却通道的旋转传热试验系统，包括供气模块、旋转模块外部结构、旋转试验段内部结构、十字接头内部结构和测试模块，实现了对透平叶片旋转内部冷却通道的流动传热特性的实验研究。

2、本发明一种模拟透平叶片内部冷却通道的旋转传热试验系统，旋转试验段传热数据的测试采用频闪拍照和液晶测温技术，测试速度快、频率高，可以实现动态测量，实时反应温度变化，极大地提高了实验结果的准确性、可靠性和精确性。

3、本发明一种模拟透平叶片内部冷却通道的旋转传热试验系统，旋转试验段传热数据的测试采用频闪拍照和液晶测温技术，无需在通道中布置金属换热板，大大减小了通道尺寸，使实验更加便捷，易于操控。

4、本发明一种模拟透平叶片内部冷却通道的旋转传热试验系统，在旋转试验段采用平键槽的方式对旋转轴与转接头进行周向配合，便于转接头和旋转试验段的拆卸安装。

5、本发明一种模拟透平叶片内部冷却通道的旋转传热试验系统，在旋转试验段插入高强度高韧度的有机玻璃形成传热拍摄面，可以使整个实验过程可视化。

附图说明

图1为本发明一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统示意图。

图2为旋转模块外部结构示意图。

图3为十字型接头结构示意图。

图4为旋转试验段流道示意图。

附图标记说明：

1-气泵，2-储气罐，3-气体整流过滤网，4-温度控制器，5-气体加热器，6- 三通电磁阀，7-气体流量计，8-压力表，9-旋转接头，10-皮带，11-轴承座， 12-旋转试验段，13-平衡块，14-连接轴，15-电机，16-热电偶，17-红外光电传感器，18-导电滑环，19-CCD相机，20-频闪闪光灯，21-数据处理计算机，22-十字型接头，23-不锈钢外壳，24-有机玻璃，25-通孔，26-旋转轴，27-平键槽， 28-圆形通孔，29-锁紧螺母，30-轴端螺纹，31-转接头，32-方形开口，33-轴肩。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

请参阅图1，本发明提供的一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，包括供气模块、旋转模块和测试模块。

请参阅图1，本发明提供的一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，供气模块包括：气泵1、储气罐2、气体整流过滤网3、温度控制器4、气体加热器5、三通电磁阀6、气体流量计7和压力表8，主要作用是为旋转试验段12提供稳定加热气流。一定量的空气通过气泵1进入储气罐2，随后经过气体整流过滤网 3成为稳定均匀气流，再进入气体加热器5中获得温升(通过温度控制器4调节温度)，三通电磁阀6可通过阀门的切换实现瞬态温升。气体流量计7用于采集流量数据并据此调整气泵1，压力表8用于采集旋转接头9前的压力，据此校准并推算旋转试验段12的进口压力，进而计算得到通道的摩擦阻力系数。

请参阅图1和图2，本发明提供的一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，旋转模块包括：旋转接头9、皮带10、轴承座11、旋转试验段12、平衡块13、连接轴14和电机15，主要功能是保证旋转试验段12在设计工况下运行。来自供气模块的空气通过旋转接头9进入旋转轴26中，然后经十字型接头22进入旋转试验段12，在旋转试验段12的另一侧对称安装平衡块13以实现动平衡。电机15通过皮带10驱动旋转轴26旋转并控制转速。

请参阅图3，本发明提供的一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，十字型接头22为保证旋转轴26在旋转状态下的强度，将旋转轴26在连接段区域的外径增大为80mm，即壁厚增大为15mm。在旋转轴26连接段左端设置有轴肩33，用于转接头31的轴向定位，右端设有轴端螺纹30，通过锁紧螺母29实现转接头31的轴向定位。在旋转轴26的上侧开设有方形开口32，内部开设有圆形通孔28，形成流动通路；旋转轴26内部开设有通孔25，用于线路布置；在旋转轴 26的下侧开有平键槽27，用于旋转轴26与转接头31的周向配合安装。该连接方式可以保证转接头31和旋转试验段12的拆卸便捷性。

请参阅图4，本发明提供的一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，包括旋转试验段：不锈钢外壳23和有机玻璃24。不锈钢外壳23中设置了两个插槽，将有机玻璃24插入，盖上顶板即可。下边的有机玻璃24为传热拍摄面，需在其表面喷涂液晶，从上方拍摄，使得整个实验过程可视化。

请参阅图1，本发明提供的一种模拟透平叶片冷却的旋转实验系统，测试模块主要包括热电偶16、红外光电传感器17、导电滑环18、CCD相机19、频闪闪光灯20和数据处理计算机21，负责采集流动传热的相关数据。热电偶16可以测得旋转试验段12进出口的温度，红外光电传感器17用于监测旋转试验段 12的位置，通过导电滑环18来采集得到的旋转试验段12进出口温度以及位置信号，并将信号传递给数据处理计算机21。当通道到达拍照位置时，数据处理计算机21向CCD相机19和频闪闪光灯20发送信号，两者同时开启，完成一幅图片的拍摄，通过拍摄连续时间段内的多张图片，计算得到传热面的传热系数分布。

优选的，旋转试验段12传热数据的测试采用频闪拍照和液晶测温技术，通过拍摄连续时间段内的多张图片，计算得到传热面的传热系数分布，测试速度快、频率高，可以实现实时动态测量，反应温度变化。极大地提高了实验结果的准确性、可靠性和精确性。

优选的，旋转试验段12传热数据的测试采用频闪拍照和液晶测温技术，无需在通道中布置金属换热板，因而大大减小了通道尺寸，使实验更加便捷，易于操控。

优选的，旋转轴的下侧开有平键槽27，用于旋转轴26与转接头31的周向配合安装。该连接方式使得转接头31和旋转试验段12具有拆卸便捷性。

优选的，在旋转试验段12插入高强度高韧度的有机玻璃24形成传热拍摄面。试验段主要包括不锈钢外壳23和两块有机玻璃24，不锈钢外壳23中设置了两个插槽，将有机玻璃24插入后盖上顶板即可。下方的有机玻璃24为传热拍摄面，需在其表面喷涂液晶，可以从上方拍摄，使实验过程可视化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的改进、修饰或其他实施例等，均应包含在本发明的保护范围之内。