[发明专利]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

说明书

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。

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。