[发明专利]一种旋转条件下透平叶片前缘冷却测试的实验系统及方法

说明书

本发明公开了一种旋转条件下透平叶片前缘冷却测试的实验系统及方法，包括：对整个叶片前缘冷却系统进行仿制，提供真实的气流冲击边界条件，考虑外部相对速度的加热来流与内部冷却气流的掺混、气流冲击通道排列方式、前缘靶面的淋浴头气膜冷却开孔布置、叶片不同区域(叶根、叶身和叶顶)旋转的综合影响，实验过程中通过对温度、压力和流量信号的监测、控制与调节，从而实现对旋转透平叶片内部‑气膜耦合冷却性能的准确评估，并为实际叶片冷却结构的设计应用提供可靠参考。

技术领域

本发明属于透平叶片冷却换热技术领域，特别涉及一种旋转条件下透平叶片前缘冷却测试的实验系统及方法。

背景技术

在燃气轮机的设计过程中，提高循环温比是提高燃气轮机循环效率和功率输出的重要手段；但温比增大会导致透平进口温度提高，使得透平叶片和端壁要承受更高的燃气温度；叶片热负荷升高，热应力增大。透平进口温度的不断升高，已经远远超过叶片材料承受的极限温度，因而需要开发高效的叶片冷却技术，以确保燃机叶片的性能要求及安全使用。

由于燃气滞止点的存在和表面曲率的限制，叶片前缘几何尺寸小、外部热负荷高，是叶片冷却的最关键区域之一。目前，叶片前缘广泛采用的是冲击冷却和气膜冷却相结合的复合冷却方案，气流通过多排阵列孔冲击到叶片内侧，在射流冲击板上强烈掺混形成高传热区域，并通过冲击靶面上布置的喷淋头气膜孔流出带走内部热量，在叶片外表面形成气膜冷却。理论设计的冷却结构方案在数值分析计算后需要通过试验以验证其真实的换热特性。早期实验多为静止条件下的射流冲击实验，将凹面的叶片前缘简化为平坦表面，实验结果与旋转条件下相差较大；而目前在旋转条件下进行冷却性能试验研究也多局限于简化的叶片模型，且没有考虑高温热流与冷却气流的掺混影响，导致不同简化模型得到的实验结果差异大甚至结论相反，不具有普适性，无法真实反映旋转透平叶片内部-气膜耦合冷却结构并对其换热特性和影响因素进充分探究。

综上，亟需一种新的旋转条件下透平叶片前缘冷却测试的实验系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转条件下透平叶片前缘冷却测试的实验系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够实现对旋转透平叶片内部-气膜耦合冷却性能的准确评估，可为实际叶片冷却结构的设计应用提供可靠参考。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种旋转条件下透平叶片前缘冷却测试的实验系统，包括：

旋转实验段，用于探究旋转透平叶片前缘测试段内部-气膜耦合冷却结构的换热特性及影响因素；所述旋转实验段包括：

旋转底座，用于作为所述旋转实验段的承载、旋转装置；

叶片前缘测试段，用于模拟透平叶片内部-气膜耦合冷却结构，实现对其换热特性及影响因素的探究；

丝网加热器，用于将部分进气加热为预设温度的来流，模拟实际叶片的高温进气主流；

平衡配重系统，用于增加叶片前缘测试段对侧的重量，维持所述旋转实验段的平衡；

集气室，用于汇集叶片前缘测试段流出的横流和掺混气流；

静止驱动段，用于为所述旋转实验段进行气体供应、收集及能量供给；所述静止驱动段包括：

供气装置，用于供应所述旋转实验段所需进气；

变频驱动电机，用于供给所述旋转实验段所需的旋转动力；

电源装置，用于对所述丝网加热器进行能量供给；

真空室，用于收集所述旋转实验段抽出的气体；

分流阀，用于将进气按流量分配至两个旋转进气通道；其中一路旋转进气通道与丝网加热器相连通，另外一路旋转进气通道与叶片前缘测试段相连通；