Uncoupling forklaring og roterende oppdrift effekter på Full-feltet varme overføring egenskapene til en roterende kanal

Summary

Her presenterer vi en eksperimentell metode for dekopling gjensidig avhengige forklaring og roterende oppdrift effekter på full-feltet varme overføring distribusjoner av en roterende kanal.

Abstract

En eksperimentell metode for å utforske den varme overføring kjennetegn en aksialt roterende kanal er foreslått. Styrende flytparametrene som karakteriserer transport fenomener i en roterende kanal identifiseres via parametrisk analyse av fart og energi ligningene refererer til en roterende referanseramme. Basert på disse dimensjonsløs flyt ligninger, en eksperimentell strategi som kobler utformingen av modulen test er det eksperimentelle programmet og dataanalyse formulert med forsøket på å avsløre den isolerte forklaring og oppdrift effekter på varme overføre forestillinger. Effekten av forklaring og roterende oppdrift er illustrert med selektiv resultatene målt fra roterende kanaler med ulike geometri. Forklaring og roterende oppdrift virkninger dele flere fellestrekk mellom forskjellige roterende kanalene, finnes unik overføring signaturene i tilknytning til flytretningen, kanal form og arrangement av varme overføre ekstrautstyr enheter. Uansett flyt konfigurasjoner av roterende kanalene, presentert eksperimentelle metoden gjør utviklingen av fysisk konsekvent varme overføring sammenhenger som tillater evaluering av isolert og gjensidig avhengige forklaring og roterende oppdrift effekter på varmen overføre egenskaper av roterende kanaler.

Introduction

Mens termodynamisk lover dikterer forbedret bestemt kraft og termisk effektiviteten av en flymotor ved å løfte turbin oppføring temperaturen er flere varme motoren komponenter, for eksempel bladene, utsatt for termisk skade. Intern kjøling av en gass vindturbin rotor blade tillater en turbin oppføring temperatur over Temperaturgrenser krype motstand av bladet. Imidlertid må konfigurasjonene av interne kjøling kanaler overholde blad profilen. Spesielt, roterer kjølevæske i rotoren bladet. Med slike tøffe termiske forhold for en løpende gass vindturbin rotor blade er en effektiv blad kjøling ordningen avgjørende å sikre strukturen integritet. Dermed er lokale varme overføring egenskapene for en roterende kanal viktige for effektiv bruk av begrenset kjølevæske tilgjengelig. Oppkjøpet av nyttig varmen overføre data som gjelder for utformingen av interne kjølevæske passasjer på realistisk motor forhold er av primær betydning når en eksperimentell metode er utviklet for å måle varme overføring egenskapene til en simulert kjøling passasjen i en gass vindturbin rotor blade.

Rotasjon med en hastighet over 10.000 rpm endres betydelig omgivelsestempe av en roterende kanal i en gass vindturbin rotor blade. Identifikasjon av motoren betingelser for slik roterende kanal er tillatt bruke likhet loven. Med rotasjon, kan dimensjonsløs gruppene som kontrollerer transport fenomener i en radielt roterende kanal vises ved stammer flyten ligningene i forhold til en roterende referanseramme. Morris¹ har avledet momentum bevaring ligningen av flyt i forhold til en roterende referanseramme som:

(1)

I ligningen (1), lokale væske hastighet, v̄, med posisjon vektoren, r̄, i forhold til referanse roterende på hellinger, ω, påvirkes av Coriolis akselerasjon i 2 (ω×v̄), den avparet sentripetal oppdrift tvinge, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), drevet piezo-beregning trykkgradient, , og den flytende dynamisk viskositeten, ν. Den refererte væske tettheten, ρ_ref, kalles en forhåndsdefinert væske referanse temperatur T_ref, som er typisk for den lokale væske bulk temperaturen for eksperimenter. Hvis irreversibel konverteringen av mekanisk energi til termisk energi er ubetydelig, er energi konservering ligningen redusert til:

(2)

Den første terminen ligningen (2) oppnås ved å behandle den bestemte entalpien å være direkte knyttet til den lokale væsken temperaturen, T, via konstant spesifikke varmen, C_p. Forstyrrelsene av væske skyldes variasjon av væsken temperatur i en oppvarmet roterende kanal gir betydelig innflytelse på bevegelse av væsker når det linker med sentripetal akselerasjon i ligningen (1), flytende hastigheten og temperatur felt i en aksialt roterende kanal er koblet. Også, både Coriolis og sentripetal akselerasjoner variere samtidig som roterende hastigheten justeres. Dermed er effekten av forklaring og roterende oppdrift på væske hastighet og temperaturen naturlig kombinert.

Ligninger (1) og (2) i skjemaene dimensjonsløs avsløre flytparametrene som styrer varme konveksjon i en roterende kanal. Med en i utgangspunktet jevn varme fluks pålagt en roterende kanal, lokale væske bulk temperatur, T_b, øker lineært i streamwise retning, s, fra referanse innløp nivå, T_ref. Lokale væske bulk temperaturen bestemmes som T_ref + τs, der τ er gradient av væske bulk temperaturen i retning av flyt. Erstatninger av følgende dimensjonsløs parametere av:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

ligninger (1) og (2), der V_mener, N og d henholdsvis stå mener renner gjennom hastighet, roterende hastighet og kanal hydraulisk diameter, dimensjonsløs strømmen fart og energi ligningene avledes som ligninger (8) og (9) henholdsvis.

(8)

(9)

Tydeligvis η i ligningen (9) er en funksjon av Re, Roog Bu = Ro²βτdR, som er henholdsvis kalt Reynolds, rotasjon og oppdrift. Rossby nummeret som quantifies forholdet mellom treghet og Coriolis styrker tilsvarer hvor omvendt rotasjon i ligningen (8).

Når T_b beregnes som T_ref + τs i en roterende kanal kan en jevn varme forandring, τ verdien kan vurderes også som Q_f/ (mC_pL) i hvilke Q _f, m og L er konvektive oppvarming strøm, masse flow rate og kanal lengde, henholdsvis. Dermed dimensjonsløs lokale væske bulk temperatur, η_b, er lik s/d og dimensjonsløs temperaturen på kanalen veggen, η_w, gir [(T_w–T_b ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Med konvektive varme overføringshastigheten definert som Q_f/ (T_w–T_b), dimensjonsløs vegg-til-væsken temperaturforskjellen, η_w–η_b, er konverteres til lokale Nusselt tallet via ligningen (10) i hvilke ζ er funksjonen dimensjonsløs form av oppvarming og kanalen tverrsnitt område.

(10)

Et sett med forhåndsdefinerte geometrier og de etter og termisk betingelsene identifiseres dimensjonsløs gruppene kontrollere Nusselt nummeret av en roterende kanal som:

(11)

(12)

(13)

Med eksperimentelle tester, justering av roterende hastighet, N, for varierende Ro å generere varmeoverføring endres data på forskjellige styrker Coriolis styrker uunngåelig sentripetal akselerasjon, og dermed den relative styrken av roterende oppdrift. Videre varme overføring data samlet inn fra en roterende kanal er alltid underlagt en begrenset grad av roterende oppdrift effekt. Avsløre personlige effekter av forklaring og oppdrift på varmeoverføring ytelsen til en roterende kanal krever uncoupling av Ro og Bu virkningene på Nu egenskaper gjennom innlegget behandling prosedyre som er inkludert i dagens eksperimentelle metoden.

Den motor og laboratoriet strømningsforhold for en roterende kanal i en gass vindturbin rotor blade kan angis av av Re, Ro og Bu. Typisk motor betingelsene for kjølevæske strømme gjennom en gass vindturbin rotor blade, samt bygging og igangkjøring av roterende testanlegg som tillot eksperimenter utføres nær faktiske motor forholdene ble rapportert av Morris² . Figur 1 basert på realistisk motor forhold oppsummert av Morris², og konstruerer realistisk driftsforholdene i Re, Ro og Bu for en roterende kjølevæske kanal i en gass vindturbin rotor blade. I figur 1kalles indikasjon av motorens verste tilstanden motoren kjører tilstand på høyeste rotoren hastighet og høyeste tetthet forholdet. I figur 1, nedre grense og verste motor driftsforhold henholdsvis dukke opp på de laveste og høyeste turtall. Det er svært vanskelig å måle full-feltet Nu distribusjon av en roterende kanal kjører på en skikkelig motor hastighet mellom 5000 og 20 000 rpm. Imidlertid basert på likhet loven, laboratorium skala testene har blitt gjennomført med redusert roterende hastigheter, men med flere forsøk på å gi en full dekning av real-motor Re, Ro og Bu områdene. Som en innovativ eksperimentell metode vedtatt NASA vert programmet^3,4,5,6 høytrykks testene for å øke de flytende tettheter på forhåndsdefinerte Re i for å utvide området Ro ved å redusere mener væske hastigheten. I denne forbindelse er bestemt relasjonene mellom Re, Ro og Bu for en ideell gass med gass konstant, R_cog viskositet, μ, relatert som:

(14)

(15)

Å bringe laboratorieforhold i nominelle korrespondanse med motor forhold i figur 1, den roterende hastighet, N, kjølevæske press, P, kanal hydraulisk diameter, d, roterende radius R, og vegg-til-væsken temperaturforskjell, T_w–T_b, må kontrolleres for samsvarende realistisk Re, Ro og Bu områdene. Tydelig, en av de mest effektive tilnærmingene til å utvide området Ro er å øke kanal hydraulisk diameter, som Ro er proporsjonal med d². Laboratoriet varme overføring testen på realistisk N er ekstremt vanskelig, er kjølevæsken trykket, P, teknisk enklere heves for å utvide Ro området; Selv om Ro er bare proporsjonal med P. Basert på denne teoretisk bakgrunn, er designfilosofi stede eksperimentelle metoden å øke Ro ved pressurizing roterende test kanalen med maksimal hydraulisk diameteren kan passe inn i roterende riggen. Har økt Ro området, er utvalget av Bu tilsvarende utvidet Bu er proporsjonal med Ro². I figur 1er laboratorium teste forholdene vedtatt for å generere varme overføring data av roterende kanaler også inkludert^{3,4,5,6,7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29}. som vist i figur 1, realistisk motor betingelsene av tilgjengelige varme overføring er fortsatt begrenset, spesielt for det nødvendige Bu -området. Åpne og farget solid symbolene avbildet i figur 1 er spisse og full-feltet varme overføring eksperimentene, henholdsvis. Som samlet i figur 1, overføre de fleste av varmen data med kjøling programmer gassturbin rotoren blader^{1,2,3,4,5, 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26} er målinger med metoden thermocouple. Veggen ledning virkningene på måle veggen ledende varme flux og temperaturen på væske-vegg grensesnitt undergrave kvaliteten på varmen overføre data konvertert fra thermocouple målinger. Også varme overføring mål^{1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10,11,12,13,14,15 , 16 , 17 , 18 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26} med metoden thermocouple finner todimensjonal varme overføring variasjoner over en roterende overflate. Med de nåværende eksperimentelle metode^29,30,31,32er gjenkjenning av full-feltet Nusselt tallet distribusjoner over roterende kanal veggen tillatt. Minimering av veggen ledning effekt med 0,1 mm tykk rustfritt stål-folier Biot tall >> 1 for å generere oppvarming strøm av dagens eksperimentelle metoden tillater endimensjonal varmeledning fra oppvarming folien til kjølevæske flyt. Spesielt er oppkjøpet av full-feltet varmen overføre data som involverer både Ro og Bu effekter ikke tillatt med forbigående krystall teknikken og metoden thermocouple. Med gjeldende stabil flytende krystall termografi metoden¹⁹deaktiverer synlig temperaturområdet på 35-55 ° C generering av varmen overføre data med realistisk tetthet prosenter.

Bruke flytparametrene styrer varme konveksjon i en roterende kanal for å demonstrere at full dekning av realistiske motoren i figur 1 ikke har ennå oppnådd, så behovet for å skaffe full-feltet varmen overføre data realistisk motor forhold har vært kontinuerlig oppfordret. Dagens eksperimentelle metoden gjør det mulig for generering av full-feltet varmeoverføring med både forklaring og roterende oppdrift effekter oppdaget. Protokollene er rettet til å hjelpe etterforskerne å utarbeide en eksperimentell strategi relevant for realistisk full-feltet varme overføring måling av en roterende kanal. Med metoden parametrisk analyse som er unik for den nåværende eksperimentell metoden er generering av varme overføring sammenheng for å vurdere isolert og gjensidig avhengige Ro og Bu virkningene på Nu tillatt.

Artikkelen illustrerer en eksperimentell metode å generere todimensjonal varmen overføre dataene i en roterende kanal med strømningsforhold lik realistisk gass turbin motor tilstandene men mye lavere roterende hastighet i det laboratorier. Metoden som ble utviklet for å velge roterende hastigheten, hydrauliske diameteren på test kanal og utvalget av vegg-til-fluid temperaturforskjeller for å skaffe varmeoverføring data på realistisk motor forhold er illustrert i innledningen. Kalibreringstestene for infrarød termografi system, varme tap kalibreringen tester og drift av roterende varme overføring testriggen vises. Faktorer som forårsaker betydelig usikkerhet for varmen overføre målinger og prosedyrene for dekopling forklaring og oppdrift effekter på varme overføring egenskapene til en roterende kanal er beskrevet i artikkelen med selektiv resultater å vise den nåværende eksperimentell metoden.

Protocol

Merk: Detaljer om roterende teste anlegg, datainnsamling, databehandling og varme overføring testmodul simulere en intern kjøling kanal av en gass vindturbin rotor blade er i våre tidligere arbeider29,30,31 ,32. 1. forberedelse av varme overføring tester Formulere eksperimentelle forhold Re, Ro og Bu fra målrettet operasjone…

Representative Results

Realistisk driftsforhold for interne kjølevæske renn i en roterende gass turbin blad Re, Ro og Bu sammenlignes med de etterlignede laboratorieforhold i figur 1. Datapunktene falle i realistisk motor forhold med dagens eksperimentelle metoden oppsummert i protokoller11,14,17,20,21. Selv om full-feltet v…

Discussion

Mens endwall temperaturen av en roterende kanal oppdages av en infrarød termografi system, er væsken temperaturen målt ved thermocouples. Som alternativ magnetfeltet med en AC-motor som driver en roterende rigg induserer elektrisk potensial til å påvirke thermocouple målinger, må den DC motoren vedtas for å kjøre en roterende testrigg.

Væsken temperatur distribusjon over Avslutt flyet av en oppvarmet kanal er ikke ensartet. Minst fem thermocouples på eksisterende flyet av en roteren…

Materials

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