[發明專利]一種高溫環境下葉片換熱系數的測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 202010799488.4
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111830083B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 李廣超;徐永發;張魏;沙嵬;曾睿;趙長宇;寇志海
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01J5/48
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

1.一種高溫環境下葉片換熱系數的測量方法，該方法采用的測量系統包括鼓風機、截止閥I、截止閥II、截止閥III、鍋爐、儲氣罐、三通閥、紅外熱成像儀、透明材料、實驗段、空氣壓縮機、陶瓷保溫層、熱電偶、壓力計I、壓力計II；鼓風機的出風口通過管道與鍋爐的進風口連接，鍋爐的出風口通過管道與儲氣罐的入口連接，儲氣罐的出口通過管道與實驗段一端的入口連接，實驗段另一端的一個入口通過管道與空氣壓縮機的出口相連，實驗段另一端的一個出口上安裝有截止閥III，截止閥I安裝在鼓風機與鍋爐之間的管道上，三通閥安裝在儲氣罐與實驗段之間的管道上，截止閥II安裝在實驗段與空氣壓縮機之間的管道上，熱電偶、壓力計I均安裝在儲氣罐上，紅外熱成像儀、壓力計II均安裝在實驗段上，實驗段的內側壁上鑲有透明材料，避免氣體泄漏，儲氣罐、實驗段的外側壁上均包裹有陶瓷保溫層；其特征在于，所述方法包括如下步驟：

步驟1：實驗前，關閉三通閥、截止閥III，將待測葉片放置于實驗段內，打開空氣壓縮機，通過調整截止閥II，使得實驗段內的出口靜壓達到預設壓力值P₁'；

步驟2：實驗開始時，打開鼓風機向鍋爐內通入空氣作為加熱氣源，打開鍋爐進行燃燒提溫；

步驟3：通過熱電偶實時監測儲氣罐內的溫度值，通過壓力計I實時監測儲氣罐內的壓力值；

步驟4：當儲氣罐內的溫度達到預設溫度值T₁'，且壓力達到預設壓力值P'₂時，打開三通閥向實驗段內通入瞬時高溫、高壓氣流，同時打開截止閥III使實驗段內的氣流與外界相通；

步驟5：在三通閥打開的瞬間，同時啟動紅外熱成像儀采集待測葉片表面的圖像信息；

步驟6：實驗結束后，將采集到的圖像信息處理得到各個測量點的溫度值；

步驟7：建立換熱系數的微分方程，將實驗測得的溫度值帶入換熱系數的微分方程中，即可求得測量點處的換熱系數值；

所述步驟7包括：

步驟7.1：以葉片外壁延伸方向為x軸方向，葉片壁厚方向為y軸方向，建立關于葉片的二維非穩態導熱微分方程：

式中，ρ表示葉片密度，c表示葉片的比熱容，t表示葉片表面溫度，λ表示葉片的導熱系數，τ表示采樣時刻，表示內熱源；

步驟7.2：通過化簡葉片的二維非穩態導熱微分方程，得到葉片的一維非穩態導熱微分方程如公式(2)所示：

式中，h表示葉片外壁面與外界的換熱系數，d表示葉片壁厚，T_f表示進口燃氣溫度；

步驟7.3：通過公式(2)整理得到葉片外壁面與外界的葉片換熱系數h的表示式為：

步驟7.4：根據微分方程離散求解的數值方法化簡一維非穩態導熱微分方程，得到葉片外壁面與外界的換熱系數h的微分方程表示為：

式中，t_i表示第i個采樣時刻的溫度值，Δτ表示采樣時間間隔，Δx表示葉片表面相鄰測量點在x軸方向的距離間隔；

步驟7.5：將實驗測得的測量點處的溫度值t帶入公式(4)求解換熱系數值。

2.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟7.2中化簡葉片的二維非穩態導熱微分方程，包括：

步驟7.2.1：將葉片的對流換熱項轉化為內熱源，則dx微元表面的散熱量表示為：

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

式中，Φ表示換熱量，h₀表示葉片內壁面與葉片內部腔體的換熱系數，T₀表示葉片內部冷卻氣流溫度；

步驟7.2.2：將導熱微分方程中的內熱源表示為：

步驟7.2.3：將公式(5)帶入公式(6)中，化簡得葉片內熱源的表示式為：

步驟7.2.4：將公式(7)帶入公式(1)中，并消除微分方程中y軸方向的導熱項，得到葉片一維非穩態導熱微分方程為：

步驟7.2.5：忽略葉片內壁與冷卻氣體之間的自然對流換熱量，將公式(8)化簡得到如公式(2)所示的葉片一維非穩態導熱微分方程。

3.根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述步驟7.4中根據微分方程離散求解的數值方法化簡一維非穩態導熱微分方程，包括：

步驟7.4.1：將公式(2)中溫度對時間一階導數的中心差分表示為：

將公式(2)中溫度對空間二階導數的中心差分表示為：

步驟7.4.2：將公式(9)、公式(10)帶入公式(3)，整理得葉片外壁面與外界的換熱系數h的表達式如公式(4)所示。