一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置及其模化方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机燃烧室壁面冷却特性的测量技术。

背景技术

随着燃气轮机燃烧室向高温方向发展，燃烧室火焰筒耐温能力受到严峻考验，在提高高温合金材料的耐温能力和研究新型热涂层材料的基础上，发展先进高效的冷却技术越来越收到研究人员的广泛关注。

为对冷却结构的冷却机理深入探究和对冷却效果进行评估，研究人员采用试验和数值模拟等方法对火焰筒冷却结构的流动及冷却特性进行了大量研究。然而，开展燃烧室同尺寸模型试验面临成本巨大、测量工具使用受限以及结果分析较为复杂等问题，因此，如何设计小尺寸模型对对冷却结构的冷却特性进行测量、以及如何使小尺寸模型工况与燃烧室与实际工况保持一致成为研究焦点。

发明内容

为此，本发明提供了一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置及其模化方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置，其特征在于，包括：热流进气段、冷流进气段、试验段以及气体排放段，所述热流进气段、所述冷流进气段以及所述气体排放段依次连通，所述冷流进气段与所述试验段之间通过冷却结构模型上的冷却孔相连通；

所述冷却结构模型为平板结构，用于模拟所述燃气轮机燃烧室壁面，所述平板结构的冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率分别与所述燃气轮机燃烧室壁面的冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率一致，所述平板结构的导流环间距与与所述燃气轮机燃烧室壁面的导流环间距一致；

气体燃料进入所述热流进气段，并经过所述热流进气段进入所述试验段；冷空气进入所述冷流进气段，并经过所述冷却结构模型进入所述试验段；所述试验段内的气体进入所述气体排放段，并经所述气体排放段排放到所述装置的外部；

所述试验段的末端设置有热电偶穿引座，所述气体排放段设置有激光入射窗口，所述试验段设置有红外热成像测量窗口和可视化观测窗口。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中，所述热流进气段与所述试验段之间设置有热流整流孔板。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中，所述冷流进气段包括冷流集气腔和冷流腔，所述冷流集气腔与所述冷流腔之间设置有冷流整流孔板，所述冷却结构模型设置在所述冷流集气腔与所述试验段之间，所述冷空气依次经过所述冷流集气腔和所述冷流腔，然后进入所述试验段。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中，所述气体排放段的进气方向与所述试验段内气体燃料的流动方向相同，所述气体排放段的进气方向与所述气体排放段的出气方向相反。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中，所述试验段外部覆有隔热层。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中，所述热流进气段、所述冷流进气段以及所述气体排放段为一体化结构。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法，包括：

将燃气轮机燃烧室壁面模化为平板结构，所述平板结构作为所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的冷却结构模型，所述平板结构上开有冷却孔和导流环，所述平板结构的冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率分别与所述燃气轮机燃烧室壁面的冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率一致，所述平板结构的导流环间距与与所述燃气轮机燃烧室壁面的导流环间距一致；

根据所述燃气轮机燃烧室实际工况下热流则雷诺数确定所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧的压力、温度和速度；以及

根据所述燃气轮机燃烧室实际工况下的热流侧毕渥数确定所述冷却结构模型的材料和厚度。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法中，所述根据所述燃气轮机燃烧室实际工况下热流侧雷诺数确定所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧的压力、温度和速度包括：

计算实际工况下热流侧雷诺数；

令实际工况下热流侧雷诺数与所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧雷诺数一致；以及

根据所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧雷诺数确定所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧的压力、温度和速度。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法中，所述根据所述燃气轮机燃烧室实际工况下的热流侧毕渥数确定所述冷却结构模型的材料和厚度包括：

根据公式

令所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧毕渥数与所述燃气轮机燃烧室实际工况下的热流侧毕渥数一致；

根据所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧毕渥数确定所述冷却结构模型的材料和厚度。

可选地，在根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法中，所述方法还包括：

采用无量纲综合冷却效率对模化结果进行验证。

根据本发明的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置及其模化方法，能够实现以下有益效果中的至少一种：

相比于实际燃烧室的壁面冷却特性试验测试，通过本发明的模化方法以及测量装置能够提高测试精度，获得更为真实的实验结果，并且能大幅度降低测量的复杂程度以及搭建难度；

测量装置的冷流进气段和热流进气段均设置了集气腔和可更换的整流孔板，在整流的同时可以改变进气的湍流度，通过调节热流空气与冷流空气温度、流量以及湍流度等参数能够实现对燃烧室实际工况的模化，降低试验成本；

测量装置试验段上壁面设有试验段盖板，方便冷却结构模型的拆装和热电偶的布置；

测量装置布置了激光射入窗口、红外热成像测量窗口以及可视化观测窗口，可以同时对冷却结构模型的冷却特性以及流动特征进行测量，降低了测量耗时。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的结构示意图；

图2示出了图1的内部结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的可视化观测窗口9的结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法的设计思路；

图5示出了实际工况和模化工况下的流线分布情况，其中，(a)为实际工况的流线分布情况，(b)为模化工况下的流线分布情况；

图6示出了实际工况和模化工况下的无量纲综合冷却效率分布情况。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的结构示意图，图2示出了图1的内部结构示意图。如图1和图2所示，燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置用来模拟燃气轮机燃烧室，该测量装置包括热流进气段1、冷流进气段2、试验段3以及气体排放段4，热流进气段1、冷流进气段2以及气体排放段依次连通4。冷流进气段2与试验段3相邻，二者之间是冷却结构模型6。冷却结构模型6用来模拟燃气轮机燃烧室的壁面。冷却结构模型6采用平板结构，冷却结构模型6上开有冷却孔61和导流环，并且冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率分别与燃气轮机燃烧室壁面上冷却孔的孔径(1～10mm)、孔间距以及开孔率保持一致，冷却结构模型6上的导流环间距与燃气轮机燃烧室壁面上的导流环间距也需要保持一致。冷却结构模型6的厚度为5～10mm。冷却结构模型6上还设置有固定孔，用于固定冷却结构模型6。冷却结构模型6可以是单层板(如带有发汗冷却结构的试验板、带有导流环的冲击气膜冷却结构试验板等)，也可以多层板(如带有冲击-发散冷却结构的试验板等)。

如图2所示，热流进气段1位于试验段3前方，包括热流进口法兰11、热流集气腔12、连接法兰13以及热流整流孔板14。热流进口法兰11位于热流集气腔12前端的上壁面。连接法兰13位于热流集气腔12末端，用于连接热流集气腔12和试验段3。热流整流孔板14固定在连接法兰13中间位置，且热流整流孔板14与连接法兰13之间固定有密封垫圈。热流进口法兰11作为热流进气段1的入口，热流整流孔板14作为热流进气段1的出口。

冷流进气段2通过冷流整流孔板24分隔为冷流集气腔22和冷流腔26两个腔体，冷流整流孔板24通过通过螺栓以及密封垫片固定在冷流整流孔板安装座23上。冷流集气腔22的入口为冷流进口法兰21，出口为冷流整流孔板24。冷流腔26的入口为冷流整流孔板24，出口为冷却结构模型6。冷流进气测量安装座25是两个孔，设置在冷流腔26的侧面。冷流进气段2用于实现对冷流空气的整流以及对冷流空气温度和压力的测量。冷流腔宽度宽度为150～180mm。

冷却结构模型6的一侧为冷流腔26，另一侧为试验段3。冷却结构模型6通过螺栓固定在冷却结构模型固定座5上。

试验段3包括热流进气测量安装座31、热流腔32、试验段盖板33以及热电偶穿引座34。试验段盖板33位于热流腔32上壁面，可拆装的试验段盖板33方便实现冷却结构模型6的更换以及热电偶的布置。试验段3宽度为150～180mm，高度为25～35mm。试验段3外侧用玻璃纤维板以及石棉等隔热材料进行隔热处理。热流进气测量安装座31布置在热流腔32的侧壁面，热流进气测量安装座31是两个孔，可以用来安装测量探针，以便对热流空气的温度和压力进行测量。试验时，将热电偶通过位于热流腔32末端的热电偶穿引座34布置在冷却结构模型6上，以便对冷却结构模型6的热流侧壁面温度进行测量。试验段3上还设置有红外热成像测量窗口8和可视化观测窗口9。红外热成像测量窗口8位于试验段盖板33上，通过红外热成像测量窗口8能够对冷却结构模型6的整个热流侧壁面温度进行测量。可视化观测窗口9位于试验段3的侧壁面，并且与冷/热流进气测量安装孔不在同一侧壁面上，用于对冷却结构模型6的近壁面气体流动特性进行测量。

红外热成像测量窗口8包括红外热成像测量玻璃81(优选石英玻璃)、密封垫片82、红外热成像测量玻璃安装座83以及红外热成像测量玻璃盖板84。红外热成像测量玻璃安装座83与试验段盖板33可以是一体化结构。红外热成像测量玻璃81安装在红外热成像测量玻璃安装座83内部，红外热成像测量玻璃盖板84位于红外热成像测量玻璃81外侧，用于固定和保护红外热成像测量玻璃81。红外热成像测量玻璃81通过螺栓固定在红外热成像测量玻璃安装座83上。红外热成像测量玻璃81与红外热成像测量玻璃安装座83之间、以及红外热成像测量玻璃81与红外热成像测量玻璃盖板84之间均设有密封垫片82。

如图3所示，可视化观测窗口9包括可视化观测玻璃91(优选石英玻璃)、密封垫片92、可视化观测玻璃安装座93以及可视化观测玻璃盖板94。可视化观测玻璃安装座93下端与冷却结构模型固定座5下端平齐、上端与试验段3侧壁面上端平齐。可视化观测玻璃91安装在可视化观测玻璃安装座93内部，可视化观测玻璃盖板94位于可视化观测玻璃91外侧，可视化观测玻璃盖板94通过螺栓安装在可视化观测玻璃安装座93上。可视化观测玻璃91与可视化观测玻璃安装座93之间、以及可视化观测玻璃91与可视化观测玻璃盖板94之间均设有密封垫片92。

气体排放段4包括排放转折段41和排放出口法兰42。气体排放段4位于试验段3的后方，且与试验段3成一体化结构。排放转折段41的一端与试验段3连通，另一端与排放出口法兰42连通。排放转折段41的进气方向与出气方向相互垂直，目的是为了在排放转折段41的与试验段3相对的壁面上设有激光射入窗口7，激光通过激光射入窗口7入射至试验段3内，从而对流场进行测量。

激光射入窗口7包括激光射入玻璃71(优选石英玻璃)、密封垫片72、激光射入玻璃安装座73以及激光射入玻璃盖板74。激光射入玻璃安装座73与气体排放段4可以是一体化结构，激光射入玻璃安装座73的中心位置与热流腔32共轴。激光射入玻璃71安装在激光射入玻璃安装座73内部，激光射入玻璃盖板74位于激光射入玻璃71外侧，用于固定和保护激光射入玻璃71。激光射入玻璃盖板74通过螺栓安装在激光射入玻璃安装座73上。为保证激光射入窗口7的密封性和避免激光射入玻璃71被损坏，激光射入玻璃71与激光射入玻璃安装座73之间、以及激光射入玻璃71与激光射入玻璃盖板74之间均设有密封垫片72。

在上述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中，热流空气由热流进口法兰11进入热流集气腔12，经热流整流孔板14整流后进入热流腔32；带有示踪离子的冷流空气由冷流进口法兰21进入冷流集气腔22，经冷流整流孔板23进入冷流腔26，冷流空气通过冷却结构模型6上的冷却孔61进入热流腔32，与热流空气混合后进入气体排放段4的排放转折段41，最后从排放出口法兰42排出。将测量冷流压力的探针和测量冷流温度的探针固定在冷流进气测量安装座25中，将测量热流压力的探针和测量热流温度的探针固定在热流进气测量安装座31中，探针将冷流腔26和热流腔32内的气体引出进行测量。使激光从激光射入窗口7入射至热流腔32，并作用在热流腔32内的示踪离子上，以便对热流腔32内气体的流动特性进行测量。使用红外热成像仪透过红外热成像测量窗口8对冷却结构模型6热流侧表面(即上表面)各点温度进行测量。利用仪器通过可视化观测窗口9。

上述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置(以下简称测量装置)能够模拟实际燃气轮机燃烧室的结构。为了精确地测量燃气轮机燃烧室壁面的冷却特性，需要对上述测量装置进行模化。模化的目的是：(1)使冷却结构模型6的结构特性与实际燃气轮机燃烧室壁面的结构特性保持一致；(2)使测量装置中冷却结构模型6所处的环境最大限度地接近燃气轮机燃烧室的实际工况，具体包括：使测量装置内热流的流动情况、换热情况、以及无量纲综合冷却效率均与实际燃气轮机燃烧室一致。

为此，本发明实施例还提供了一种燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法。如图4所示，实际燃烧室中，热流处于高温、高压状态，如果采用与燃烧室同尺寸的装置进行测量试验，不仅试验成本高，难度也非常大。因此，需要寻找合适的模化方法，以降低试验成本和试验难度。模化的目标是采用低参数(例如低温、低压、低流量)模拟燃烧室近壁面的换热状态、以及采用简单的结构(例如平板结构)模拟实际燃烧室壁面。确定了模化方法之后，需要进一步确定测量装置的工作参数(包括冷流和热流的流量、温度以及压力等)。基于以上思想，需要确定：(1)测量装置的结构方案，包括冷却结构以及相关几何参数可变的试验方案；(2)物理参数调节方案，包括流量、温度、压力调节控制方案；(3)测量方案，包括流量、压力以及温度测量。

对于测量装置的结构方案，冷却结构采用平板结构，以此替代实际燃烧室的曲面结构。

对于物理参数调节方案，可以采用常规的方式调节气体的流量、温度、压力。

对于测量方案，可以通过在平板结构上布置热电偶以及通过红外热像仪来测量平板结构的温度，流量和压力可以采用常规的方式进行测量。

本发明实施例的燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置的模化方法首先通过冷却结构相似模化过程获得试验冷却结构，然后通过流动以及换热相似性模化获得试验中冷却结构相关参数以及模化参数，并采用无量纲综合冷却效率对模化结果进行验证，最终结果将应用于实际壁面冷却设计中。

上述模化方法具体具体包括如下步骤步骤一至步骤四。

步骤一、将燃气轮机燃烧室壁面模化为平板结构，该平板结构作为燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置中的冷却结构模型。这里用平板结构代替燃气轮机燃烧室中曲面结构的壁面。

接下来，要确定平板结构的结构特性。为了使平板结构的结构特性最大限度地与实际燃气轮机燃烧室壁面的结构特性保持一致，需要在平板结构上设置冷却孔和导流环，并且，平板结构的冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率分别与燃气轮机燃烧室壁面的冷却孔的孔径、孔间距以及开孔率保持一致，平板结构的导流环间距与与燃气轮机燃烧室壁面的导流环间距保持一致。

步骤二、根据燃气轮机燃烧室实际工况下热流侧雷诺数确定所述燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧的压力、温度和速度。这一步骤是为了实现流动相似性模化，即，使测量装置中热流侧的流动特性与燃气轮机燃烧室实际工况下热流侧的流动特性保持一致。

实际工况下热流侧雷诺数Re

其中，ρ

令实际工况下热流侧雷诺数与燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧雷诺数一致。测量装置的热流侧雷诺数也符合上述公式。根据测量装置热流侧雷诺数确定燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧的压力、温度和速度。对于测量装置来说，特征长度过小会导致测量数据不方便，而受限于测量装置的整体尺寸，特征长度又不太过大，因此特征长度应当在一个合理的范围内。热流侧速度也应当在一个预设的范围内，不宜过高或过低。实际工况下热流侧处于高温和高压状态，但是为了降低实验操作难度，测量装置的热流侧可以是低温低压状态。确定了测量装置的特征长度、热流侧速度、热流侧温度及压力的范围后，根据上述公式，确定一组合理的热流侧气体密度、热流侧速度、特征长度以及热流侧气体动力黏性系数数值，使得实际工况下热流侧雷诺数与燃气轮机燃烧室壁面冷却特性测量装置热流侧雷诺数相同。

步骤三、根据燃气轮机燃烧室实际工况下的热流侧毕渥数确定冷却结构模型的材料和厚度。这一步骤是为了实现换热相似性模化，即，使测量装置中热流侧毕渥数与燃气轮机燃烧室实际工况下热流侧毕渥数保持一致。

热流侧毕渥数Bi的计算公式如下：

其中，λ为冷却结构的导热系数，t

对于燃气轮机燃烧室来说，λ为燃烧室壁面材料的导热系数，t

根据上述公式计算得到实际燃烧室的热流侧毕渥数Bi，选择合适的材料和厚度，使测量装置的热流侧毕渥数等于燃气轮机燃烧室实际工况下的热流侧毕渥数。

例如，对于实际燃烧室中的火焰筒壁面而言，其对流换热和热辐射的耦合传热系数h在700W/(m

对于测量装置，考虑冷却结构模型材料的导热系数和壁厚的影响，选用不锈钢加工冷却结构模型，其导热系数约为22W/(m·K)。试验中主流热气采用常压电加热，因此热辐射相对较小可以忽略，其热侧壁面表面传热系数约120W/(m

步骤四、采用无量纲综合冷却效率对模化结果进行验证。

无量纲综合冷却效率φ由热流温度T

可以通过测量实际工况与模化工况下的T

对实际燃烧室和采用上述模化方法获得的测量装置进行仿真，得到如图5所示的实际工况和模化工况下的流线分布情况，以及如图6所示的实际工况和模化工况下的无量纲综合冷却效率分布情况。

根据图5可以看出，采用上述模化方法获得的测量装置能够很好地再现实际工况的流线分布。

图6中，轴向距离是指图2中的横向距离。可以看出，与模化工况相比，实际工况下的无量纲综合冷却效率分布更集中，从左向右前三排导流环综合冷却效率差距较大，这是由于温比不同，且前段冷却气膜尚未叠加完成进而导致冷却效率差异较大。但红外热成像仪拍摄部分为轴向距离0mm附近，即第四排和第五排导流环位置处，此时实际工况与模化工况的无量纲综合冷效波动范围较小，能够满足通过探究模化工况条件下无量纲综合冷却效率从而对实际工况下壁面冷却效果进行评价的要求。