Her præsenterer vi en eksperimentel metode for afkobling indbyrdes afhængige corioliskraften og roterende opdrift effekter på full-field varme overførsel distributioner af en roterende kanal.
En eksperimentel metode for at udforske de varme overførsel Karakteristik af et aksialt roterende kanal er foreslået. Styrende flow-parametrene, der karakteriserer transport fænomener i en roterende kanal identificeres via den parametriske analyse af fremdrift og energi ligninger refererer til et roterende referenceramme. Baseret på disse dimensionsløs flow ligninger, en eksperimenterende strategi, der forbinder design af modulet test er den eksperimentelle program og dataanalyse formuleret med forsøget på at afsløre de isolerede corioliskraften og opdrift effekter på varme overføre forestillinger. Virkningerne af corioliskraften og roterende opdrift illustreres ved hjælp af selektiv resultaterne målt fra roterende kanaler med forskellige geometrier. Mens corioliskraften og roterende opdrift virkninger deler flere fællestræk blandt de forskellige roterende kanaler, er enestående varme overførsel signaturerne fundet i forening med strømningsretningen, kanalform og arrangement af varme overføre enhancement enheder. Uanset flow konfigurationer af de roterende kanaler, de præsenteres eksperimentelle metode muliggør udvikling af fysisk sammenhængende varme overførsel sammenhænge, der foretages evaluering af isolerede og indbyrdes afhængige corioliskraften og roterende opdrift effekter på varmen overføre egenskaber af roterende kanaler.
Mens termodynamiske love diktere forbedret specifikke magt og termiske virkningsgrad af en gasturbine motor ved at løfte turbine post temperatur, er flere varm motorkomponenter, såsom Turbineblade, tilbøjelige til termisk skade. Interne afkøling af en gasturbine rotorbladet tillader en turbine post temperatur overstiger temperaturgrænserne krybning modstand af blade materiale. Konfigurationer af de interne kølende kanaler skal dog overholde klinge profil. Især roterer kølevæske i vingen. Med disse barske termiske betingelser for en kørende gasturbine rotorbladet er en effektiv klinge afkøling ordning afgørende for at sikre strukturens integritet. Således, de lokale varme overførsel egenskaber for en roterende kanal er vigtig for den effektive brug af begrænsede kølervæske flow tilgængelige. Erhvervelse af nyttevarme overføre data, der anvendes til design af interne kølervæske passager på realistisk motordriftsdata er af primær betydning, når en eksperimentel metode er udviklet til måling af egenskaberne varme overførsel af en simuleret afkøling passage inde en gasturbine rotorblad.
Rotation til en hastighed over 10.000 rpm ændrer betydeligt køleeffekten af en roterende kanal inde en gasturbine rotorblad. Identifikation af motor betingelser for sådan en roterende kanal er tilladt ved hjælp af ligheden lov. Med rotation, kan de dimensionsløse grupper, der styrer transport fænomener inde et radialt roterende kanal blive afsløret ved der følger flow ligninger i forhold til en roterende referenceramme. Morris1 har afledt momentum bevarelse ligning af strømmen i forhold til en roterende referenceramme som:
(1)
I ligning (1), lokale væske velocity, v̄, med holdning vektoren, r̄, i forhold til en referenceramme, roterende på vinkelhastighed, ω, påvirkes af Coriolis acceleration i 2 (ω×v̄), den afkoblet centripetale opdrift tvinge, β(T–Tref) (ω×ω×r̄), den drevet piezo-metriske trykgradient, , og den flydende dynamisk viskositet, ν. Den refererede væske tæthed, Rhoref, kaldes en pre-defineret væske referencetemperaturen Tref, som er typisk for den lokale flydende bulk temperatur for eksperimenter. Hvis irreversibel omdannelse af mekanisk energi til varmeenergi er ubetydelig, reduceret energi bevarelse ligning til:
(2)
Den første mandatperiode ligning (2) er fremstillet ved at behandle de specifikke enthalpi at være direkte relateret til den lokale flydende temperatur, T, via den konstant specifikke varme, Cp. Da den undertrykkelse af netbårne væske tæthed skyldes variationen af flydende temperatur i en opvarmet roterende kanal giver betydelig indflydelse på bevægelsen af væsker når det er kædet sammen med den centripetale acceleration i ligning (1), den væske velocity og temperatur felter i en aksialt roterende kanal er kombineret. Også, både Coriolis og centripetale accelerationer variere samtidigt som den roterende hastighed er justeret. Således, virkningerne af corioliskraften og roterende opdrift på områderne væske velocity og temperatur er naturligvis kombineret.
Ligninger (1) og (2) i de dimensionsløse former videregive flow-parametrene, der styrer varme konvektion i en roterende kanal. Med en grundlæggende ensartet varme flux pålagt en roterende kanal, den lokale flydende bulk temperatur, Thomsenb, øges lineært i streamwise retning, s fra fjorden referenceniveau, Tref. Lokale flydende bulk temperaturen bestemmes som Tref + τs, hvor τ er gradienten af flydende bulk temperaturen i retning af flow. Udskiftninger af følgende dimensionsløs parametre:
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
i ligninger (1) og (2), hvor Vbetyder, N og d henholdsvis står for den gennemsnitlige strømningshastighed gennem hastighed, roterende hastighed og kanal hydrauliske diameter, de dimensionsløse flow dynamik og energi ligninger er afledt som ligninger (8) og (9) henholdsvis.
(8)
(9)
Åbenbart, η i ligning (9) er en funktion af Re, Roog Bu = Ro2βτdR, som kaldes henholdsvis Reynolds, rotation og opdrift numre. Det Rossby tal, der kvantificerer forholdet mellem inertial og Coriolis styrker er svarer til inverse rotation nummeret i ligning (8).
Når Tb beregnes som Tref + τs i en roterende kanal underlagt et ensartet varme flux, Alternativt kan evalueres τ værdien som Qf/ (mCpL) i hvilken Q f, m og L er den konvektive effekt, kølervæske masse strømningshastighed og kanal længde, henholdsvis. Således er dimensionsløs lokale flydende bulk temperatur, ηb, er lig med s/d og dimensionsløs temperaturen på kanalen væg, ηw, udbytter [(Tw–Tb ) /Qf] [mCp] [L/d] +s/d. Med den konvektive varme datatransport sats defineret som Qf/ (Tw–Tb), dimensionsløst væg-til-væske temperaturforskel, ηw–ηb, er konverteres til den lokale Nusselt nummer via ligning (10) i som ζ er funktionen dimensionsløs form af varme område og kanal tværsnitsareal.
(10)
Med et sæt foruddefinerede geometrier og de hydrodynamiske og termiske randbetingelser, er de dimensionsløse grupper kontrollere de lokale Nusselt antallet af en roterende kanal identificeret som:
(11)
(12)
(13)
Med eksperimentelle tests, tilpasning af roterende hastighed, N, for varierende Ro til at generere varmeoverførsel ændrer data på forskellige styrker af Coriolis styrker uundgåeligt den centripetale acceleration, og dermed den relative styrke af roterende opdrift. Derudover et sæt varme overførsel data indsamlet fra en roterende kanal er altid omfattet en begrænset grad af roterende opdrift effekt. For at oplyse de enkelte virkninger af corioliskraften og opdrift på varmeoverførslen performance i et roterende kanal kræver frakobling af Ro og Bu virkningerne på Nu egenskaber gennem post databehandling procedure, er inklusiv i den nuværende eksperimentelle metode.
Strømningsforhold motor og laboratorium for en roterende kanal inde en gasturbine rotorbladet kan angives af værdiskalaer for Re, Ro og Bu. Typisk motor betingelserne for kølevæske flow gennem en gasturbine rotorbladet samt opførelse og idriftsættelse af roterende forsøgslaboratoriet, der tillod forsøg skal udføres i nærheden af de faktiske motordriftsdata blev rapporteret af Morris2 . Baseret på de realistiske motordriftsdata opsummeret af Morris2, konstruerer figur 1 de realistiske driftsbetingelser i form af Re, Ro og Bu intervaller for en roterende kølervæske kanal i en gasturbine rotorblad. I figur 1kaldes angivelse af en motor værste betingelse motoren kører tilstand på den højeste rotorens hastighed og den højeste density-forholdet. I figur 1, det nedre grænse og værste driftsbetingelser henholdsvis dukke op på laveste og højeste motorhastighed. Det er yderst vanskeligt at måle full-field Nu distribution af en roterende kanal kører på en reel motorhastighed mellem 5000 og 20.000 rpm. Imidlertid baseret på lighed lov, laboratorium-skala test er blevet gennemført med reduceret roterende hastigheder, men med flere forsøg på at give en fuld dækning af real-motor Re, Ro og Bu intervaller. Som en innovativ Eksperimentel metode vedtaget NASA vært program3,4,5,6 de højtryks tests for at øge de flydende tætheder på den foruddefinerede Re i for at udvide rækken Ro ved at reducere den gennemsnitlige væske velocity. I denne henseende hænger de særlige forbindelser mellem Re, Ro og Bu for en ideal gas med en gas konstant, Rcog viskositet, μ, som:
(14)
(15)
At bringe laboratorieforhold i den nominelle korrespondance med motor betingelser ses i figur 1, den roterende hastighed, Nielsen, kølervæske pres, P, kanal hydrauliske diameter, d, roterende radius, R, og væg-til-væske temperaturforskel, Tw–Tb, skal kontrolleres for matchende den realistiske Re, Ro og Bu intervaller. Det er klart, en af de mest effektive metoder til at udvide rækken Ro er at øge kanal hydrauliske diameter, som Ro er proportional med d2. Laboratorietest varme overførsel på realistisk N er yderst vanskeligt, er kølervæske pres, P, teknisk lettere at være rejst til udvide Ro rækkevidde; selv hvis Ro er kun proportionalt med P. Baseret på den teoretiske baggrund, er designfilosofi af den nuværende eksperimentelle metode at øge Ro ved at presse den roterende test kanal ved hjælp af den maksimale kanal hydrauliske diameter lov til at passe ind i den roterende rig. Har øget rækken Ro , er rækken af Bu derfor udvidet som Bu er proportional Ro2. I figur 1er test laboratorieforhold vedtaget for at generere varme overførsel data af roterende kanaler også inkluderet3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29. som anført i figur 1, dækning af realistiske motordriftsdata af tilgængelige varme overførsel data er stadig begrænset, især for den nødvendige Bu vifte. Åbne og de farvede solid symboler afbildet i figur 1 er spidse og full-field varme overførsel eksperimenter, henholdsvis. Som indsamlet i figur 1, overførsel de fleste af varmen af data med køling applikationer til gasturbine rotor knive1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 er punkt målinger ved hjælp af metoden termoelement. Væg overledning effekter på måling væggen ledende varme flux og temperaturer på væske-væg grænseflader underminere kvaliteten af varme overførsel data konverteres fra termoelement målinger. Også, den varme overførsel målinger1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 ved hjælp af metoden termoelement ikke kan registrere to-dimensionelle varme overførsel variationer over en roterende overflade. Med den nuværende eksperimentelle metode29,30,31,32er påvisning af full-field Nusselt antal distributioner over roterende kanal muren tilladt. Minimering af væg overledning effekt ved hjælp af 0,1 mm tyk rustfrit stål folier med Biot numre >> 1 til at generere varme strøm af den nuværende eksperimentelle metode tillader den endimensionale varmeledning fra varme folie til kølervæske flow. Navnlig er erhvervelse af full-field varme overførsel data der involverer både Ro og Bu effekter ikke tilladt ved hjælp af forbigående flydende krystal-teknik og termoelement metode. Med den nuværende steady-state flydende krystal termografi metode19deaktiverer den påviselige temperaturområde på 35-55 ° C generation af varme overførsel data med realistiske tæthed nøgletal.
Ved hjælp af flow-parametrene for den varme konvektion i en roterende kanal til at demonstrere, at den fulde dækning af realistisk motordriftsdata ses i figur 1 endnu ikke er nået, så behovet for at erhverve full-field varme overføre data på realistisk motordriftsdata har været løbende opfordret. Den nuværende eksperimentelle metode gør det muligt for generation af full-field varmeoverførsel med både corioliskraften og roterende opdrift effekter fundet. Protokollerne, der har til formål at bistå efterforskere at udtænke en eksperimentel strategi relevante realistisk full-field varme overførsel maaling af en roterende kanal. Sammen med metoden af parametriske analyser, der er entydig for den nuværende eksperimentelle metode, er generation af varme overførsel korrelation til vurdering af de isolerede og indbyrdes afhængige Ro og Bu virkninger på Nu tilladt.
Artiklen illustrerer en eksperimentel metode til formål at generere to-dimensionel varme overførsel data af en roterende kanal med flow betingelser svarende til realistiske gasturbine motor betingelser men arbejder meget lavere roterende hastighed i den laboratorier. Den metode, der er udviklet for at vælge den roterende hastighed, hydrauliske diameter af test kanal og rækken af væg-til-væske temperaturforskelle for at erhverve varmeoverførsel data på realistisk motordriftsdata er illustreret i indledningen. Kalibreringstest for infrarød termografi system, varme tab kalibrering tester og driften af den roterende varme overførsel test rig er vist. De faktorer, der forårsager de betydelig usikkerhed for varme overføre målinger og procedurerne for afkobling af corioliskraften og opdrift effekter på egenskaberne varme overførsel af en roterende kanal er beskrevet i artiklen med den selektive resultater til at vise den nuværende eksperimentelle metode.
Mens endwall temperaturer på en roterende kanal er opdaget af en infrarød termografi system, er de flydende temperatur målt ved termoelementer. Som den alternative magnetfelt af en AC-motor, der driver en roterende rig inducerer elektriske potentiale til at blande termoelement målinger, vedtages DC-motor til at drive et roterende Afprøvningsapparatet.
Flydende temperaturfordelingen over planet af en opvarmet kanal er ikke ensartet. Mindst fem termoelementer på den eksisterende fly af en …
The authors have nothing to disclose.
Den nuværende forskningsarbejde var økonomisk sponsoreret af Ministeriet for videnskab og teknologi i Taiwan under grant NSC 94-2611-E-022-001, NSC 95-2221-E-022-018, NSC 96-2221-E-022-015MY3 og NSC 97-2221-E-022-013-MY3.
Rotating test rig | In-house made | Design by this research group | |
Heat transfer test module | In-house made | Design by this research group | |
Mass flow meter | Eldride Product, Inc. | 3100301-01-01 359-1007 |
|
Infrared thermography system | NEC P384A-8 | 3100401-04 3127A-4 |
|
Instrumentation slip ring | Michigan Scientific SR36M | 3100506-62 3553-372 |