[發(fā)明專利]一種高溫環(huán)境下葉片換熱系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010799488.4
• 申請(qǐng)日: 2020-08-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111830083B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李廣超;徐永發(fā);張魏;沙嵬;曾睿;趙長(zhǎng)宇;寇志海
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N25/20
• 分類號(hào): G01N25/20;G01J5/48
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李在川

本發(fā)明提供一種高溫環(huán)境下葉片換熱系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。測(cè)量系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、鍋爐、儲(chǔ)氣罐、紅外熱成像儀、實(shí)驗(yàn)段、熱電偶等，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)待測(cè)葉片施加瞬時(shí)高溫、高壓氣流，通過(guò)紅外熱成像儀采集葉片表面的溫度值；測(cè)量方法中通過(guò)理論推導(dǎo)得到計(jì)算換熱系數(shù)的微分方程，可以通過(guò)計(jì)算得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)；測(cè)量系統(tǒng)可以近似滿足突然給定一個(gè)恒溫來(lái)流作用于實(shí)驗(yàn)葉片壁面的效果，減小了溫度階躍的響應(yīng)時(shí)間，理論計(jì)算在保證準(zhǔn)確度的情況下簡(jiǎn)化了微分方程，可以使渦輪葉片復(fù)雜的換熱問(wèn)題得到解析解，使測(cè)量換熱系數(shù)的燃?xì)鉁囟葟?00K量級(jí)提高到1200K，有效解決了高溫環(huán)境下葉片換熱系數(shù)無(wú)法直接測(cè)量的難題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及換熱系數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫環(huán)境下葉片換熱系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。

背景技術(shù)

測(cè)量渦輪葉片換熱系數(shù)是研究渦輪葉片換熱特性的基礎(chǔ)工作，準(zhǔn)確測(cè)量換熱系數(shù)對(duì)于提高葉片的工作可靠性，延長(zhǎng)其壽命，以及對(duì)于渦輪葉片設(shè)計(jì)的成敗具有關(guān)鍵作用。換熱系數(shù)的大小與流體的流動(dòng)狀態(tài)、物理性質(zhì)以及傳熱面的幾何因素有關(guān)，由于換熱系數(shù)的影響因素眾多，變量控制困難，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)處理相當(dāng)繁瑣，使得高溫環(huán)境渦輪葉片換熱系數(shù)的測(cè)量成為難點(diǎn)。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法有穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，穩(wěn)態(tài)法以牛頓冷卻定律為基礎(chǔ)，測(cè)量氣體的對(duì)流換熱量、熱輻射量、以及底面和側(cè)面的導(dǎo)熱量，為了最大程度的減小側(cè)向?qū)釤釗p失并便于修正，需要保持內(nèi)外溫差恒定，在不同的測(cè)試溫度下，在傳感器工作面貼附隔熱材料，但目前使用的耐高溫材料，只可以保證傳感器在200度以內(nèi)穩(wěn)定工作，不能滿足高溫環(huán)境下?lián)Q熱系數(shù)的測(cè)量，所以需要用實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算出相似準(zhǔn)則數(shù)后將其推導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)工況，但是這種直接由低溫環(huán)境推導(dǎo)到高溫環(huán)境的方法在某些情況下不能準(zhǔn)確反映出實(shí)驗(yàn)件的換熱系數(shù)。瞬態(tài)法是通過(guò)瞬時(shí)提高來(lái)流溫度或壁面溫度來(lái)達(dá)到溫度階躍，通過(guò)求解一維半無(wú)限大平板非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程得到測(cè)量表面的換熱系數(shù)，而真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境基本不滿足一維半無(wú)限大條件。所以需要建立實(shí)際可行的高溫環(huán)境換熱系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，以解決目前高溫環(huán)境渦輪葉片難以直接測(cè)量的問(wèn)題，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件冷卻結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種高溫環(huán)境下葉片換熱系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，包括鼓風(fēng)機(jī)、截止閥I、截止閥II、截止閥III、鍋爐、儲(chǔ)氣罐、三通閥、紅外熱成像儀、透明材料、實(shí)驗(yàn)段、空氣壓縮機(jī)、陶瓷保溫層、熱電偶、壓力計(jì)I、壓力計(jì)II；鼓風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口通過(guò)管道與鍋爐的進(jìn)風(fēng)口連接，鍋爐的出風(fēng)口通過(guò)管道與儲(chǔ)氣罐的入口連接，儲(chǔ)氣罐的出口通過(guò)管道與實(shí)驗(yàn)段一端的入口連接，實(shí)驗(yàn)段另一端的一個(gè)入口通過(guò)管道與空氣壓縮機(jī)的出口相連，實(shí)驗(yàn)段另一端的一個(gè)出口上安裝有截止閥III，截止閥I安裝在鼓風(fēng)機(jī)與鍋爐之間的管道上，三通閥安裝在儲(chǔ)氣罐與實(shí)驗(yàn)段之間的管道上，截止閥II安裝在實(shí)驗(yàn)段與空氣壓縮機(jī)之間的管道上，熱電偶、壓力計(jì)I均安裝在儲(chǔ)氣罐上，紅外熱成像儀、壓力計(jì)II均安裝在實(shí)驗(yàn)段上，實(shí)驗(yàn)段的內(nèi)側(cè)壁上鑲有透明材料，避免氣體泄漏，儲(chǔ)氣罐、實(shí)驗(yàn)段的外側(cè)壁上均包裹有陶瓷保溫層。

所述熱電偶用于采集儲(chǔ)氣罐的溫度值；

所述壓力計(jì)I用于采集儲(chǔ)氣罐的壓力值；

所述壓力計(jì)II用于采集實(shí)驗(yàn)段的壓力值；

所述紅外熱成像儀用于采集安裝在實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的待測(cè)葉片表面的溫度值。

一種采用高溫環(huán)境下葉片換熱系數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括如下步驟：

步驟1：實(shí)驗(yàn)前，關(guān)閉三通閥、截止閥III，將待測(cè)葉片放置于實(shí)驗(yàn)段內(nèi)，打開(kāi)空氣壓縮機(jī)，通過(guò)調(diào)整截止閥II，使得實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的出口靜壓達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值P₁'；

步驟2：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)向鍋爐內(nèi)通入空氣作為加熱氣源，打開(kāi)鍋爐進(jìn)行燃燒提溫；

步驟3：通過(guò)熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的溫度值，通過(guò)壓力計(jì)I實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力值；