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原文传递一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法

专利名称：	一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法
摘要：	本发明公开了一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统及方法，该系统包括静止供气系统、旋转实验测试平台以及控制系统；静止供气系统包括气泵、稳流罐、温控装置、三通电磁阀、流量计和压力表；旋转实验测试平台包括电机、转速传感器、变速齿轮箱、支撑台架、圆形实验台、实验测试段以及高速热成像系统；高速热成像系统包括高速热成像装置和图像处理计算机；控制系统与温控装置、流量计、压力表、转速传感器、气泵、电机和高速热成像系统连接；本发明方法可对透平叶片内部冷却通道在旋转状态下的传热性能进行实验研究，能够同时测试四种不同结构工况的传热数据，在获得更高精度实验数据的同时提高了测试效率，节约了测试时间。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安交通大学
发明人：	张荻;景祺;谢永慧;陈悦
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-12T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910506388.5
公开号：	CN110243859A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	范巍
分类号：	G01N25/20(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	710049 陕西省西安市咸宁西路28号
主权项：	1.一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，包括静止供气系统、旋转实验测试平台以及控制系统；其中，静止供气系统包括气泵(1)、稳流罐(2)、温控装置(17)、三通电磁阀(3)、流量计(4)、压力表(5)以及相应的静止连接管路；旋转实验测试平台包括电机(16)、转速传感器、变速齿轮箱(15)、支撑台架(14)、圆形实验台(12)、实验测试段(10)、相应的旋转连接管路以及高速热成像系统；高速热成像系统包括高速热成像装置(21)和图像处理计算机(20)；控制系统与温控装置(17)、流量计(4)、压力表(5)、转速传感器、气泵(1)、电机(16)和高速热成像系统连接；气泵(1)的出口与稳流罐(2)的入口相连，稳流罐(2)的出口依次通过三通电磁阀(3)、静止主管道(6)、旋转主管道(8)以及旋转支管道(9)与实验测试段(10)入口相连，流量计(4)和压力表(5)连接在静止主管道(6)上，实验测试段(10)的出口直接开放连通大气；实验测试段(10)安装在圆形实验台(12)上，圆形实验台(12)安装在支撑台架(14)上；电机(16)的输出轴与变速齿轮箱(15)的输入轴连接，变速齿轮箱(15)的输出轴与圆形实验台(12)相连，转速传感器用于实时测量圆形实验台(12)的转速；实验测试段(10)采用透明有机玻璃，实验测试段(10)的一侧设有待测试换热板(22)，代表透平叶片内部冷却结构；在外部安装高速热成像装置(21)，其拍摄镜头正对换热板(22)，高速热成像装置(21)与图像处理计算机(20)相连；控制系统具有内置的可编译控制算法，在实验中实时监测温度、流量、压力和转速数据，并与实验前的设定值进行比较，如发生偏差，则通过协同控制温控装置(17)、气泵(1)和电机(16)将其调整至设定值；此外，控制系统还通过控制高速热成像系统使得其拍摄频率与圆形实验台(12)的旋转速度获得良好的匹配。 2.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，静止主管道(6)与旋转主管道(8)之间采用密封部件(7)连接。 3.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，圆形实验台(12)与支撑台架(14)之间采用滑动连接部件(13)进行连接。 4.根据权利要求1所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，圆形实验台(12)表面设有多种尺寸的径向挡板(19)、周向挡板(18)和环形挡板(11)槽位，根据不同的实验测试段(10)模化尺寸灵活安装不同尺寸的径向挡板(19)、周向挡板(18)和环形挡板(11)，以良好的固定实验测试段(10)。 5.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，环形挡板(11)上设有多个环形挡板开口(23)，其开设位置正对于实验测试段(10)的换热板(22)，以保证高速热成像系统的正常拍摄。 6.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，圆形实验台(12)上安装有1-4个实验测试段(10)，相应地设置1-4个旋转支管道(9)，所有的旋转支管道(9)均与旋转主管道(8)相连，当实验测试段(10)数量大于2时，各实验测试段(10)及其旋转支管道(9)在圆周方向均匀布置，每个实验测试段(10)内能够安装不同的换热板(22)，且最多能够同时进行四种工况的实验测试。 7.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，高速热成像装置(21)的拍摄频率F根据圆形实验台(12)的转速n、实验测试段(10)数量N以及传热测试的时间步长来确定，通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比；高速热成像装置(21)将拍摄的瞬态温度分布云图传输到图像处理计算机(20)，对数据进行计算处理，得到传热系数和努塞尔数分布。 8.根据权利要求4所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，其特征在于，旋转实验测试平台用水平布置方式，或者采用垂直布置方式。 9.一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验方法，其特征在于，该方法基于权利要求4至8中任一项所述的一种用于透平叶片冷却性能测试的旋转传热实验系统，包括如下步骤：步骤1：根据实验测试段(10)尺寸安装相应的径向挡板(19)、周向挡板(18)和环形挡板(11)，然后将实验测试段(10)固定在圆形实验台(12)上；步骤2：将三通电磁阀(3)连通至静止通道，电机(16)关闭，圆形实验台(12)处于静止状态；开启气泵(1)，气流通过各通道进入实验测试段(10)，然后排入外界环境，此时控制系统监测各参数以确保各装置正常运行，同时检查动静通道连接处的密封效果，如某些部件异常，则暂停运行，进行检修，若一切运行正常，则进行下一步；步骤3：开启电机(16)，带动圆形实验台(12)和实验测试段(10)旋转，运行高速热成像系统，将拍摄频率与圆形实验台(12)的旋转参数进行匹配，拍摄图像并进行处理，并通过控制系统监测电机(16)和高速热成像系统的运行状态，若运行异常，则暂停系统运行并进行检修，若运行正常，则进行下一步：步骤4：将三通电磁阀(3)连通至外部环境，此时空气在该处排入外部环境，不经过后续通道，控制系统根据预设参数开启温控系统，对空气进行加热，当其温度达到预设值后，将三通电磁阀(3)连通至静止通道，由此实现空气的“温度跃迁”；高温空气沿静止主管道(6)、旋转主管道(8)和旋转支管道(9)进入各实验测试段(10)，与换热板(22)进行传热，高速热成像装置(21)拍摄传热面的温度分布，其拍摄频率F根据圆形实验台(12)的转速n、实验测试段(10)数量N以及传热测试的时间步长来确定，通过下式计算：其中α为正整数，与传热测试的时间步长成正比，然后将拍摄结果送入图像处理计算机(20)处理获得传热面的传热系数分布和努塞尔数分布，最多可同时获得四种工况的传热性能数据；步骤5：完成测试后，首先关闭高速热成像系统，然后停止温控系统和电机(16)的运行，待换热板(22)温度降至常温后关闭气泵(1)；进行下一组实验时，首先更换实验测试段(10)的换热板(22)，然后按照步骤1-5进行实验。
所属类别：	发明专利