【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于燃氣渦輪發動機零部件傳熱特性分析，涉及一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統。
技術介紹
1、隨著燃氣渦輪發動機性能的不斷提升，渦輪前燃氣溫度日益升高，已經遠遠超過了葉片材料的耐溫極限。在這種極端高溫環境下，為保障渦輪葉片安全持久地工作，必須對其進行高效的冷卻。通過科學的實驗方法獲取渦輪葉片的傳熱特性是葉片冷卻結構設計不可或缺的環節，相對于數值仿真和管網計算等方法，具有更直觀準確的優勢。
2、在傳熱學研究領域，雙流路的傳熱實驗系統具有十分廣泛的應用，典型的實驗方案如圖1所示。這類實驗方案具有主流和二次流兩條不同壓力、流量和溫度的流路。其中，主流路通過主流風機1吸入空氣工質并提高其壓力，經過主流流量計3測量主流工質質量流量mg后，再通過主流電加熱器6提高其溫度，隨后，工質進入主流穩壓段11，經過穩流后進入主流測量段12，并在此處由主流壓力傳感器13和主流熱電偶14分別測量實驗段主流入口壓力pg1和實驗段主流入口溫度tg1，然后進入雙側吹風實驗段主流道15，從雙側吹風實驗件27(典型如空心渦輪葉片)的兩側流過，最后從實驗段管道出口排出。二次流路通過二次流風機16吸入空氣工質并提高其壓力，經過二次流流量計17測量二次流工質質量流量mc后，再通過二次流電加熱器18提高其溫度，隨后，工質進入二次流穩壓段23，經過穩流后進入二次流測量段24，并在此處由二次流壓力傳感器25和二次流熱電偶26分別測量實驗段二次流入口壓力pc1和實驗段二次流入口溫度tc1，然后進入雙側吹風實驗件27內部通道，與之換熱后從實驗件出口流出
3、如上所述，背景實驗方案一般對主流路和二次流路分別配備風機和電加熱器，以滿足兩條流路對工質壓力和溫度的要求。這兩種設備往往具有較大的體積，對于電加熱器，還需要配備大型電源和功率控制設備，進一步增加了實驗系統的復雜性和所需的空間。此外，從能量利用的角度來看，電加熱器將電能轉化為熱能并傳遞給氣體工質的過程中會伴隨著一定的能量損失。如果電能來自于燃燒燃料的火力發電，最終傳遞給實驗工質的熱效率通常只有60％以下。從能量損失的角度衡量，加熱后的高溫主流從實驗段管道出口排出后，仍具有較高的熱量，但現有的實驗方案通常直接將其排入大氣中，沒有進行能量的二次利用，使得這部分能量完全損失。綜上所述，現有的傳熱實驗系統具有設計復雜，體積龐大，成本高，能耗高等缺點，亟需加以改進。
技術實現思路
1、針對上述問題，本專利技術提供了一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，在主流路采用渦噴發動機作為氣源和熱源，用一個體積相對小巧的設備同時取代了背景方案中風機和電加熱器的作用，既滿足了主流對溫度和壓力的雙重需求，又縮減了實驗臺整體所需的空間。此外，本專利技術采用的二次流溫度調節系統，利用主流排氣余熱提高和調節二次流溫度，省去了二次流加熱裝置及其能源輸入，進一步簡化了實驗系統，同時節約了實驗成本，降低了能量消耗。與背景傳熱實驗方案相比，本專利技術的實驗系統在實現相同工況的前提下，實驗臺管路長度和占地面積減小了40％以上，能耗降低了30％左右。
2、本專利技術采取以下技術方案：
3、一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，由管路系統和測量與控制系統兩部分組成，其中，管路系統包括主流和二次流兩條流路，如圖2所示。與采用風機和電加熱器的背景方案不同，本專利技術的主流路通過渦噴發動機提供高溫高壓氣體工質。渦噴發動機點火后，空氣通過主流入口段被吸入管道中，流經主流流量計后測得其質量流量ma，然后通過發動機入口轉接段，進入渦噴發動機中。同時，渦噴發動機通過油泵從油箱中吸入燃油，并通過燃油流量計測得其質量流量mf。隨后，渦噴發動機噴出高溫高壓的燃氣，作為主流工質進入擴張型發動機出口轉接段，通過管道截面積的沿程漸擴提高其壓力，降低其流速，隨后流經調節孔板，在維持住流速的前提下，降低壓力至約為大氣壓，并得到整流。經過上述轉接管道和孔板結構的共同調節作用使主流達到實驗所需的工況要求，隨后工質進入主流穩壓段，經過穩流后進入主流測量段，并在此處由主流壓力傳感器和主流熱電偶分別測量實驗段主流入口壓力pg1和實驗段主流入口溫度tg1，然后進入雙側吹風實驗段主流道，從雙側吹風實驗件的兩側流過，最后從實驗段管道出口排出。
4、所述的二次流路通過二次流風機吸入空氣工質并提高其壓力，流經二次流流量計并測得其質量流量mc，然后經過金屬軟管進入螺旋換熱管中。螺旋換熱管通過管道夾持裝置和位移機構置于雙側吹風實驗段主流道出口下游，利用主流排氣的余熱加熱，并通過位移機構控制螺旋換熱管侵入主流尾氣的深度來調節二次流溫度。通過螺旋換熱管后，二次流工質由金屬軟管流入二次流穩壓段，經過穩流后進入二次流測量段，并在此處由二次流壓力傳感器和二次流熱電偶分別測量實驗段二次流入口壓力pc1和實驗段二次流入口溫度tc1，隨后進入雙側吹風實驗件內部通道，與之換熱后從實驗件出口流出，最終匯入主流并隨之排出實驗段管道。
5、對主流和二次流加熱后的管路包覆保溫隔熱層，用以減少實驗系統的熱損失，同時防止實驗人員被高溫管道燙傷。
6、本專利技術的測量與控制系統線路連接方案如圖3所示。主要測量方案包括：采用主流流量計、燃油流量計和二次流流量計分別測量主流吸入空氣質量流量ma、發動機燃油質量流量mf以及二次流工質質量流量mc，其中，主流吸入空氣質量流量ma與發動機燃油質量流量mf之和為主流工質質量流量mg；通過主流壓力傳感器和二次流壓力傳感器分別測量實驗段主流入口壓力pg1和實驗段二次流入口壓力pc1；通過主流熱電偶和二次流熱電偶分別測量實驗段主流入口溫度tg1和實驗段二次流入口溫度tc1；在實驗件上方安裝紅外玻璃和紅外熱成像儀，測量實驗件壁面平均溫度tw；在實驗件被測表面開設若干熱電偶安裝槽，埋入校準熱電偶，以獲得精度足夠的壁面測點溫度twi，作為參考基準用于紅外測量結果的修正。其中，流量計、壓力傳感器以及熱電偶通過信號線與數據采集儀連接，數據采集儀連接計算機進行傳輸、處理和存儲數據，紅外熱成像儀直接與計算機連接采集溫度場數據。主要控制方案包括：通過風機調速器控制二次流風機轉速，實現二次流流量的調節；渦噴發動機和油泵的線路與發動機控制臺相連，實現渦噴發動機啟停和油門的遠程控制；此外，通過位移機構控制臺調節螺旋換熱管的位置。
7、所述的管路系統和測量與控制系統在空間上保持足夠的安全距離，同時對渦噴發動機設置有效的安全防護措施，以保證實驗操作人員的安全。
8、現結合圖4(a)～圖4(c)，對本專利技術中渦噴發動機后的主流管路設計和連接方案作進一步說明。如圖4(a)所示，渦噴發動機的原尾噴管為收縮型噴管，連接在渦噴發動機的渦輪出口后，其作用是將燃氣的壓力能轉化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，包括管路系統和測量與控制系統，所述的管路系統包括主流路和二次流路，主流路通過渦噴發動機(5)提供高溫高壓氣體工質；渦噴發動機(5)點火后，空氣通過主流入口段(2)被吸入管道中，流經主流流量計(3)后測得其質量流量ma，然后通過發動機入口轉接段(4)，進入渦噴發動機(5)中；同時，渦噴發動機(5)通過油泵(7)從油箱中吸入燃油，并通過燃油流量計(8)測得其質量流量mf；隨后，渦噴發動機(5)噴出高溫高壓的燃氣，作為主流工質進入擴張型發動機出口轉接段(9)，隨后流經調節孔板(10)，經過上述轉接管道和孔板結構的共同調節作用使主流達到實驗所需的工況要求，隨后工質進入主流穩壓段(11)，經過穩流后進入主流測量段(12)，并在此處由主流壓力傳感器(13)和主流熱電偶(14)分別測量實驗段主流入口壓力Pg1和實驗段主流入口溫度Tg1，然后進入雙側吹風實驗段主流道(15)，從雙側吹風實驗件(27)的兩側流過，最后從實驗段管道出口排出；
2.如權利要求1所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的測量與控
3.如權利要求1所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的渦噴發動機(5)后連接擴張型發動機出口轉接段(9)，其入口截面為圓形截面，并設有整流錐，連接在發動機的渦輪出口處；經光滑過渡后，出口變為面積相對入口更大的矩形截面，整體上形成擴張型管道；在擴張型發動機出口轉接段(9)后安裝調節孔板(10)，所述的調節孔板(10)包括直孔調節孔板(10-1)和擴張孔調節孔板(10-3)。
4.如權利要求3所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的調節孔板(10)為中間區域具有若干開孔的薄板，其開孔均勻密布在主流道區域(31)內，孔型為圓形，橢圓形或矩形，沿流動方向為開孔截面不變的直孔結構，即直孔調節孔板(10-1)；或截面積逐漸變大的擴張孔結構，即擴張孔調節孔板(10-3)。
5.如權利要求4所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的調節孔板(10)的相對孔徑
6.如權利要求5所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的調節孔板(10)的相對孔徑為0.03～0.15，開孔率k為0.2～0.7，開孔錐度c為0～0.4。
7.如權利要求1所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的螺旋換熱管(20)中間為螺旋型盤管，兩端延伸出直管道，與前后的金屬軟管(19)進行連接；換熱管螺旋段長度ls(40)和換熱管螺旋外徑ds(41)分別小于主流道寬度wm(42)和主流道高度hm(43)。
8.如權利要求7所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的ls/wm和ds/hm范圍在0.80～0.95。
9.如權利要求4所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，相鄰兩層所述的調節孔板(10)的開孔呈交錯布置，相鄰兩孔板之間安裝孔板間距調節法蘭(10-2)，通過該法蘭的厚度調節孔板間距和氣流壓力降。
10.如權利要求1所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的主流路和二次流路加熱后的管路包覆保溫隔熱層(28)。
...【技術特征摘要】
1.一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，包括管路系統和測量與控制系統，所述的管路系統包括主流路和二次流路，主流路通過渦噴發動機(5)提供高溫高壓氣體工質；渦噴發動機(5)點火后，空氣通過主流入口段(2)被吸入管道中，流經主流流量計(3)后測得其質量流量ma，然后通過發動機入口轉接段(4)，進入渦噴發動機(5)中；同時，渦噴發動機(5)通過油泵(7)從油箱中吸入燃油，并通過燃油流量計(8)測得其質量流量mf；隨后，渦噴發動機(5)噴出高溫高壓的燃氣，作為主流工質進入擴張型發動機出口轉接段(9)，隨后流經調節孔板(10)，經過上述轉接管道和孔板結構的共同調節作用使主流達到實驗所需的工況要求，隨后工質進入主流穩壓段(11)，經過穩流后進入主流測量段(12)，并在此處由主流壓力傳感器(13)和主流熱電偶(14)分別測量實驗段主流入口壓力pg1和實驗段主流入口溫度tg1，然后進入雙側吹風實驗段主流道(15)，從雙側吹風實驗件(27)的兩側流過，最后從實驗段管道出口排出；
2.如權利要求1所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的測量與控制系統包括主流流量計(3)、燃油流量計(8)和二次流流量計(17)；采用主流流量計(3)、燃油流量計(8)和二次流流量計(17)分別測量主流吸入空氣質量流量ma、發動機燃油質量流量mf以及二次流工質質量流量mc，通過主流壓力傳感器(13)和二次流壓力傳感器(25)分別測量實驗段主流入口壓力pg1和實驗段二次流入口壓力pc1；通過主流熱電偶(14)和二次流熱電偶(25)分別測量實驗段主流入口溫度tg1和實驗段二次流入口溫度tc1；在實驗件上方安裝紅外玻璃(36)和紅外熱成像儀(39)，測量實驗件壁面平均溫度tw；在實驗件被測表面開設若干熱電偶安裝槽，埋入校準熱電偶(29)，以獲得壁面測點溫度twi，作為參考基準用于紅外測量結果的修正。
3.如權利要求1所述的一種低能耗的雙流路寬工況傳熱特性實驗系統，其特征在于，所述的渦噴發動機(5)后連接擴張型...
【專利技術屬性】
技術研發人員：呂東，孔星傲，劉英實，鄭昊，李世峰，孫一楠，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：
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