[发明专利]一种高温环境下叶片换热系数的测量系统及测量方法

权利要求书

1.一种高温环境下叶片换热系数的测量方法，该方法采用的测量系统包括鼓风机、截止阀I、截止阀II、截止阀III、锅炉、储气罐、三通阀、红外热成像仪、透明材料、实验段、空气压缩机、陶瓷保温层、热电偶、压力计I、压力计II；鼓风机的出风口通过管道与锅炉的进风口连接，锅炉的出风口通过管道与储气罐的入口连接，储气罐的出口通过管道与实验段一端的入口连接，实验段另一端的一个入口通过管道与空气压缩机的出口相连，实验段另一端的一个出口上安装有截止阀III，截止阀I安装在鼓风机与锅炉之间的管道上，三通阀安装在储气罐与实验段之间的管道上，截止阀II安装在实验段与空气压缩机之间的管道上，热电偶、压力计I均安装在储气罐上，红外热成像仪、压力计II均安装在实验段上，实验段的内侧壁上镶有透明材料，避免气体泄漏，储气罐、实验段的外侧壁上均包裹有陶瓷保温层；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：实验前，关闭三通阀、截止阀III，将待测叶片放置于实验段内，打开空气压缩机，通过调整截止阀II，使得实验段内的出口静压达到预设压力值P₁'；

步骤2：实验开始时，打开鼓风机向锅炉内通入空气作为加热气源，打开锅炉进行燃烧提温；

步骤3：通过热电偶实时监测储气罐内的温度值，通过压力计I实时监测储气罐内的压力值；

步骤4：当储气罐内的温度达到预设温度值T₁'，且压力达到预设压力值P'₂时，打开三通阀向实验段内通入瞬时高温、高压气流，同时打开截止阀III使实验段内的气流与外界相通；

步骤5：在三通阀打开的瞬间，同时启动红外热成像仪采集待测叶片表面的图像信息；

步骤6：实验结束后，将采集到的图像信息处理得到各个测量点的温度值；

步骤7：建立换热系数的微分方程，将实验测得的温度值带入换热系数的微分方程中，即可求得测量点处的换热系数值；

所述步骤7包括：

步骤7.1：以叶片外壁延伸方向为x轴方向，叶片壁厚方向为y轴方向，建立关于叶片的二维非稳态导热微分方程：

式中，ρ表示叶片密度，c表示叶片的比热容，t表示叶片表面温度，λ表示叶片的导热系数，τ表示采样时刻，表示内热源；

步骤7.2：通过化简叶片的二维非稳态导热微分方程，得到叶片的一维非稳态导热微分方程如公式(2)所示：

式中，h表示叶片外壁面与外界的换热系数，d表示叶片壁厚，T_f表示进口燃气温度；

步骤7.3：通过公式(2)整理得到叶片外壁面与外界的叶片换热系数h的表示式为：

步骤7.4：根据微分方程离散求解的数值方法化简一维非稳态导热微分方程，得到叶片外壁面与外界的换热系数h的微分方程表示为：

式中，t_i表示第i个采样时刻的温度值，Δτ表示采样时间间隔，Δx表示叶片表面相邻测量点在x轴方向的距离间隔；

步骤7.5：将实验测得的测量点处的温度值t带入公式(4)求解换热系数值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤7.2中化简叶片的二维非稳态导热微分方程，包括：

步骤7.2.1：将叶片的对流换热项转化为内热源，则dx微元表面的散热量表示为：

Φ＝dx[h(T_f-t)-h₀(t-T₀)]                       (5)

式中，Φ表示换热量，h₀表示叶片内壁面与叶片内部腔体的换热系数，T₀表示叶片内部冷却气流温度；

步骤7.2.2：将导热微分方程中的内热源表示为：

步骤7.2.3：将公式(5)带入公式(6)中，化简得叶片内热源的表示式为：

步骤7.2.4：将公式(7)带入公式(1)中，并消除微分方程中y轴方向的导热项，得到叶片一维非稳态导热微分方程为：

步骤7.2.5：忽略叶片内壁与冷却气体之间的自然对流换热量，将公式(8)化简得到如公式(2)所示的叶片一维非稳态导热微分方程。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤7.4中根据微分方程离散求解的数值方法化简一维非稳态导热微分方程，包括：

步骤7.4.1：将公式(2)中温度对时间一阶导数的中心差分表示为：

将公式(2)中温度对空间二阶导数的中心差分表示为：

步骤7.4.2：将公式(9)、公式(10)带入公式(3)，整理得叶片外壁面与外界的换热系数h的表达式如公式(4)所示。