Uncoupling Coriolis kraft och roterande flytkraft effekter på Full-fältet värme överföra egenskaperna för en roterande kanal

Summary

Här presenterar vi en experimentell metod för frikoppling beroende av Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter på full-fältet värme överföring distributioner av en roterande kanal.

Abstract

En experimentell metod för att utforska värme överföring egenskaper en axiellt roterande kanal föreslås. De styrande flödesparametrar som karakteriserar Transportfenomen i en roterande kanal identifieras via parametrisk analys av rörelsemängd och energi ekvationer hänvisar till en roterande referensram. Baserat på dessa dimensionslöst flöde ekvationer, en experimentell strategi som länkar utformningen av testmodulen, är experimentella programmet och dataanalys formulerad med försök att avslöja isolerade Coriolis-kraften och flytkraft effekter på värme överföra föreställningar. Effekterna av Coriolis kraft och roterande flytkraft illustreras med hjälp av selektiv resultaten mätt från roterande kanaler med olika geometrier. Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter delar flera gemensamma drag bland de olika roterande kanalerna, finns unika värme överföring signaturer i samband med flödesriktningen, kanalformen och arrangemanget av värme överföra enhancement enheter. Oavsett flöde konfigurationer av de roterande kanalerna, experimentell metod möjliggör utveckling av fysiskt konsekvent värme överföring korrelationer som möjliggör utvärdering av isolerad och beroende av Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter på värmen överföra egenskaper roterande kanaler.

Introduction

Medan termodynamiska lagar diktera förbättrad särskilda makt och termiska verkningsgraden hos en gas turbinmotor genom att upphöja turbin posten temperaturen, är flera heta motordelar, såsom turbinblad, benägna att termisk skada. Inre kylning av en gasturbin rotorblad tillåter en turbin posten temperatur överstiger gränsvärdena för yttertemperatur av krypning motståndet av blade material. Konfigurationer av de interna kylning kanalerna måste dock följa bladprofilen. I synnerhet roterar kylvätskan inom rotorblad. Sådana hårda termiska förhållanden för en löpande gasturbin rotorblad är en effektiv bladet kylning system avgörande för att säkerställa strukturens integritet. Således, lokal värme överföring egenskaper för en roterande kanal är viktigt för effektiv användning av de begränsade skärvätskeflödet tillgängliga. Förvärvet av nyttiggjord värme överföra data som gäller för utformningen av invändig skärvätsketillförsel passagerna på realistisk motor villkor är av primär betydelse när en experimentell metod är utvecklad för att mäta värme överföring egenskaperna för en simulerade kylning passagen släpper en gasturbin rotorblad.

Rotation med en hastighet över 10 000 rpm förändrar betydligt kyla prestanda för en roterande kanal inuti en gasturbin rotorblad. Identifiering av motorn villkoren för sådan roterande kanal är tillåtet med likheten lagen. Med rotation, kan dimensionslös grupperna som styr Transportfenomen inuti en radiellt roterande kanal avslöjas genom flödet ekvationer i förhållande till en roterande referensram. Morris¹ har härleds ekvationen momentum bevarande av flöde i förhållande till en roterande referensram som:

(1)

I ekvation (1), lokala vätska hastighet, v̄, med position vektorn, r̄, i förhållande till en referensram som roterar med den vinkelformig hastigheten, ω, påverkas av Coriolis accelerationen i form av 2 (ω×v̄), den frikopplade centripetal flytkraft kraft, β(T–T_ref) (ω×ω×r̄), drivna piezo-metric tryckgradienten, , och den flytande dynamisk viskositeten, ν. Refererade vätska densiteten ρ_ref, kallas en fördefinierade vätska referenstemperatur T_ref, som är typisk för den lokala flytande bulk temperaturen för experiment. Om oåterkalleliga omvandling av mekanisk energi till värmeenergi är försumbar, reduceras energi bevarande ekvationen till:

(2)

Den första termen i ekvation (2) erhålls genom att behandla specifika entalpin vara direkt relaterade till den lokala vätska temperaturen, T, via den konstant specifik värmen, C_p. Eftersom störning av fluid densitet orsakas av variationen av vätsketemperatur i en uppvärmd roterande kanal ger betydande inflytande på rörelse i vätskor när den länkar med centripetal acceleration i ekvation (1), flytande hastigheten och temperatur fält i ett axiellt roterande kanal är sammankopplade. Också, både Coriolis och centripetal accelerationer variera samtidigt som den roterande hastigheten justeras. Därmed effekterna av Coriolis kraft och roterande flytkraft på fälten av vätska hastighet och temperatur naturligt kopplas ihop.

Ekvationer (1) och (2) i formulären dimensionslös avslöja flödesparametrarna som styr den värme konvektion i en roterande kanal. Med en i princip enhetlig värmeflödet som ålagts en roterande kanal, lokala flytande bulk temperaturen, T_b, ökar linjärt i streamwise riktning, s, från inlopp referensnivån, T_ref. Den lokala flytande bulk temperaturen bestäms som T_ref + τs, där τ är lutningen av flytande bulk temperaturen i flödesriktningen. Substitutioner av följande dimensionslösa parametrar:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

i ekvationerna (1) och (2), var V_menar, N och d respektive står för det genomsnittliga flödet genom velocity, roterande velocity och kanal hydraulisk diameter, dimensionslöst flöde rörelsemängd och energi ekvationer härleds som ekvationer (8) och (9) respektive.

(8)

(9)

Uppenbarligen, η i ekvation (9) är en funktion av Re, Rooch Bu = Ro²βτdR, som kallas respektive Reynolds, rotation och flytkraft nummer. Rossby numret som kvantifierar förhållandet mellan stötvis och Coriolis styrkor motsvarar antalet omvänd rotation i ekvation (8).

När T_b beräknas som T_ref + τs i en roterande kanal omfattas av en enhetlig värmeflödet, τ värdet alternativt kan utvärderas som Q_f/ (mC_pL) i vilken Q _f, m och L är Konvektiv värme makten, kylvätska samlas flöde och kanal längd, respektive. Således, dimensionslös lokala flytande bulk temperaturen, η_b, är lika med s/d och dimensionslös temperaturen vid kanal vägg, η_w, avkastningen [(T_w–T_b ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Med Konvektiv värme överföringshastigheten definieras som Q_f/ (T_w–T_b), dimensionslös vägg-till-vätska temperatur skillnaden är η_w–η_b, omvandlas till den lokala Nusselt nummer via ekvation (10) i vilken ζ är dimensionslös form funktion värme och kanal sectional område.

(10)

Med en uppsättning fördefinierade geometrier och de hydrodynamiska och termisk randvillkor identifieras de dimensionslösa grupper som kontrollerar lokala Nusselt antalet en roterande kanal som:

(11)

(12)

(13)

Med experimentella tester, justering av rotationshastighet, N, för varierande Ro att generera värmeöverföring dataförändringar vid olika styrkor av Coriolis styrkor oundvikligen centripetal acceleration, och därmed den relativa styrkan i roterande flytkraft. Dessutom en uppsättning värme överföra data insamlade från en roterande kanal är alltid en begränsad grad av roterande flytkraft effekt. För att avslöja enskilda effekterna av Coriolis-kraften och flytkraft på värmeöverföringen prestanda på en roterande kanal kräver losskopplingen Ro och Bu effekter på Nu egenskaper genom det inlägg databehandling förfarandet som är inclusive i denna experimentella metod.

Motor och laboratorium villkorar flödet för en roterande kanal inuti en gasturbin rotorblad kan anges av spänner av Re, Ro och Bu. Typiska motor villkoren för kylvätskan flöda genom en gasturbin rotorblad, samt konstruktion och driftsättning av roterande testanläggning som tillät experiment kan utföras nära de faktiska motorförhållandena rapporterades av Morris² . Baserat på realistiska motorn villkoren sammanfattas av Morris², konstruerar figur 1 de realistiska driftsförhållandena när det gäller Re, Ro och Bu spänner för en roterande kylvätska kanal i en gasturbin rotorblad. I figur 1benämns indikeringen av motorns värsta tillstånd motorn igång skick på högsta rotorns varvtal och högst densitet i förhållande. I figur 1, den nedre gränsen och värsta driftsförhållanden respektive dyka upp vid de lägsta och högsta varvtal. Det är mycket svårt att mäta full-fältet Nu distribution av en roterande kanal som kör på en riktig varvtalet mellan 5000 och 20.000 rpm. Men baserat på likheten lagen, laboratorieskala tester har utförts på minskad rotationshastigheter men med flera försök att ge en fullständig täckning av real-motorn Re, Ro och Bu spänner. Som en innovativ experimentell metod antog NASA värd program^3,4,5,6 högtrycks testerna för att öka den flytande täthet på den fördefinierade Re i för att förlänga intervallet Ro genom att minska den genomsnittliga vätska hastigheten. I detta avseende är de särskilda relationerna mellan Re, Ro och Bu för en ideal gas med en gas konstant, R_coch viskositet, μ, släkt som:

(14)

(15)

Att förhållandena i laboratoriet nominella korrespondens med med motorn villkor ses i figur 1, den roterande hastighet, N, kylvätska trycket, P, kanal hydraulisk diameter, d, roterande radie, R, och vägg-till-fluid temperaturskillnaden, T_w–T_b, behöver kontrolleras för matchning realistiska Re, Ro och Bu spänner. Tydligt, är en av de mest effektiva metoderna att utvidga de Ro att öka kanal hydraulisk diameter, som Ro är proportionell mot d². Laboratoriet värme överföring testet på realistiska N är extremt svårt, är kylvätska trycket, P, tekniskt enklare att höjas för utvidga Ro sortiment; även om Ro bara är proportionell mot P. Utifrån denna teoretiska bakgrund, är metoden för närvarande experimentell designfilosofi att öka Ro av tryckförvaring den roterande test kanal med högsta hydrauliska diametern tillåtet att passa in i den roterande riggen. Efter att ha ökat Ro spänna, förlängs spänna av Bu med detta som Bu är proportionell mot Ro². I figur 1är förhållandena i laboratoriet-test antas för att generera värme överföring data roterande kanaler också inkluderade^{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 anges i figur 1, täckningen av realistisk motor villkor av tillgänglig värme överföring data är fortfarande begränsad, särskilt för intervallet krävs Bu . Öppen och de färgade fasta symboler som avbildas i figur 1 är spetsiga och full-fältet värme överföring experimenten, respektive. Som samlas i figur 1, överföra de flesta av värmen data med kylande applikationer till gasturbin rotorn blad^{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} är punkt mätningar med metoden termoelement. Vägg överledning effekterna på mäta väggen ledande värme flux och temperaturen på vätska-vägg gränssnitt undergräver kvaliteten på värme överföra data konverteras från termoelement mätningarna. Också, värme överföring mätningar^{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} använda metoden termoelement kan inte identifiera de tvådimensionella värme överföring variationerna över en roterande yta. Med det nuvarande experimentella metod^29,30,31,32är detektion av full-fältet Nusselt nummer distributioner över roterande kanal muren tillåtet. Minimering av väggen överledning effekt med 0,1 mm tjocka rostfria folier med Biot nummer >> 1 att generera värme strömmen genom denna experimentella metod tillåter den endimensionella värmeledning från värme folien till av skärvätskeflödet. I synnerhet är förvärvet av full-fältet värme överföra data som involverar både Ro och Bu effekter inte tillåtet med den övergående flytande kristall-tekniken och metoden termoelement. Med den nuvarande steady state flytande kristall Termografi metod¹⁹inaktiverar detekterbart temperaturintervallet 35-55 ° c generering av värme överföra data med realistiska densitet nyckeltal.

Med flödesparametrar styr den värme konvektion i en roterande kanal för att demonstrera att full täckning av realistisk motor villkor sett i figur 1 inte har ännu har uppnåtts, så behovet av förvärva full-fältet värmen överföra data på realistisk motor villkor har uppmanats kontinuerligt. Den nuvarande experimentell metoden möjliggör generering av full-området värmeöverföring med både Coriolis-kraften och roterande-flytkraft effekter upptäckts. Protokoll som syftar till att hjälpa utredarna att utforma en experimentell strategi som är relevanta för realistiska full-fältet värme överföring mätning av en roterande kanal. Tillsammans med metoden för parametrisk analys som är unik för den nuvarande experimentell metoden, är generationen av värme överföring korrelation för bedömningen isolerad och beroende av Ro och Bu effekter på Nu tillåten.

Artikeln illustrerar en experimentell metod som syftar till att generera tvådimensionell värme överföring data av en roterande kanal med flödesförhållanden liknar de realistiska gasturbin motorförhållandena men använder mycket lägre roterande hastighet i den laboratorier. Den metod som utvecklats för att välja roterande hastigheten, hydrauliska diametern på test kanal och spänna av vägg-till-vätska temperaturskillnader för att förvärva värmeöverföringen data på realistiska motorförhållandena illustreras i inledningen. Kalibreringstesten för infraröd Termografi system, värme förlust kalibreringen tester och driften av den roterande värme överföring testriggen visas. De faktorer som orsakar betydande osäkerheten för värme överföra mätningar och förfarandena för frikoppling Coriolis-kraften och flytkraft effekterna av en roterande kanal värme överföring egenskaper beskrivs i artikeln med den selektiva resultat att visa den nuvarande experimentell metoden.

Protocol

Obs: Detaljer av roterande testanläggningar, datainsamling, databearbetning och värme överföring testmodulen efterlikna en inre kylkanal för en gasturbin rotorblad är i våra tidigare arbeten29,30,31 ,32. 1. beredning av värme överföring tester Formulera de experimentella villkor vad gäller Re, Ro och Bu från riktade d…

Representative Results

Realistiska driftsförhållanden för invändig skärvätsketillförsel flödena inuti en roterande gasturbin blad när det gäller Re, Ro och Bu jämförs med de emulerade laboratorieförhållanden i figur 1. Datapunkterna falla i realistisk motor förhållanden med närvarande experimentell metod sammanfattas i protokoll11,14,17,20…

Discussion

Medan kortväggen temperaturerna av en roterande kanal upptäcks genom ett system för infraröd Termografi, mäts de flytande temperaturerna av termoelement. Som alternativa magnetfältet av en AC-motor som driver en roterande rigg inducerar elektriska potential att störa termoelement mätningarna, måste DC-motor antas för att driva en roterande testrigg.

Vätsketemperatur fördelningen över exit planet av en uppvärmd kanal är inte enhetlig. Minst fem termoelement på befintliga planet …

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