Ontkoppelingseiwit Coriolis kracht en roterende drijfvermogen effecten op Full-veld warmte overdracht van eigenschappen van een roterende kanaal

Terwijl thermodynamische wetten bepalen de verbeterde specifiek vermogen en thermisch rendement van een gas turbine motor door het verheffen van de turbine vermelding temperatuur, zijn verschillende warme motoronderdelen, zoals turbineschoepen, gevoelig voor schade door hitte. Interne koeling van een gas turbine rotor blade toelaat een turbine vermelding temperatuur overschrijdt de temperatuurgrenzen van de kruip weerstand van het lemmet materiaal. De configuraties van de interne koeling kanalen moeten echter voldoen aan het mes profiel. In het bijzonder draait de koelvloeistof binnen de rotor blade. Met dergelijke harde thermische omstandigheden voor een actief gas turbine rotor blade is een effectieve blade koeling regeling van cruciaal belang om de integriteit van de structuur. Dus, de lokale warmte overdracht eigenschappen voor een roterende kanaal zijn belangrijk voor het efficiënte gebruik van de beperkte koelvloeistof stroom beschikbaar. De verwerving van nuttige warmte overdracht van gegevens die voor het ontwerp van de interne koelvloeistof passages op realistische motor voorwaarden gelden is van primair belang wanneer een experimentele methode is ontwikkeld voor het meten van de warmte-overdracht-eigenschappen van een gesimuleerde koeling passage binnen een gas turbine rotor blade.

Rotatie met een snelheid boven 10.000 rpm verandert aanzienlijk de koeling prestaties van een roterende kanaal binnen een gas turbine rotor blade. De identificatie van motor voorwaarden voor dergelijke een roterende kanaal is toegestaan met behulp van de wet van de gelijkenis. Met rotatie, kunnen de dimensieloze fracties waarmee de transportverschijnselen binnen een radiaal roterende kanaal worden onthuld door de vergelijkingen van de stroom ten opzichte van een roterende referentiekader. Morris¹ heeft de dynamiek instandhouding vergelijking van stroom ten opzichte van een roterende referentiekader als afgeleid:

(1)

In vergelijking (1), de lokale vloeiende snelheid, v̄, met de positie vector, r̄, ten opzichte van een referentiekader vormt de hoeksnelheid, ω, ronddraaiende wordt beïnvloed door de versnelling van de Coriolis in termen van 2 (ω×v̄), de ontkoppelde centripetale drijfvermogen dwingen, β(T–T-_ref) (ω×ω×r̄), het drukverschil piëzo-metriek van gedreven, , en de vloeistof dynamische viscositeit, ν. De waarnaar wordt verwezen dichtheid van de vloeistof, ρ_ref, wordt verwezen naar een vooraf gedefinieerde vloeistof referentietemperatuur T_ref, die is typerend voor de temperatuur van de lokale fluid bulk voor experimenten. Als de onomkeerbare omzetting van mechanische energie in warmte-energie verwaarloosbaar is, is de vergelijking van de instandhouding energie beperkt tot:

(2)

De eerste term van vergelijking (2) wordt verkregen door behandeling van de specifieke enthalpie rechtstreeks verband houden met de lokale vloeistof temperatuur, T, via de constante soortelijke warmte, C_p. Zoals de verstoring van de vloeistof dichtheid veroorzaakt door de variatie van de temperatuur van de vloeistof in een verwarmde roterende kanaal aanzienlijke invloed op de beweging van de vloeistoffen biedt wanneer het verbindt met de centripetale versnelling in vergelijking (1), de vloeistof snelheid en temperatuur velden in een axiaal draaibare kanaal zijn gekoppeld. Ook, zowel de Coriolis en de centripetale versnellingen variëren gelijktijdig de roterende snelheid is aangepast. Dus, zijn de gevolgen van de Coriolis kracht en roterende drijfvermogen op het gebied van vloeiende snelheid en temperatuur natuurlijk gekoppeld.

Vergelijkingen (1) en (2) in de dimensieloze vormen onthullen de stroom parameters waaraan de warmteoverdracht in een roterende kanaal. Met een in principe uniforme warmtestroom opgelegd op een roterende kanaal, de temperatuur van de lokale vloeibare bulk, T_b, stijgt lineair in de streamwise richting, s, uit het referentieniveau voor de inlaat, T-_ref. De temperatuur van de lokale fluid bulk is bepaald als T_ref + τs, waar τ het verloop van de temperatuur van de vloeibare bulk in de richting van de stroom is. De substituties van de volgende dimensieloze parameters van:

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

in vergelijkingen (1) en (2), waar V_betekenen, N es d respectievelijk staan voor de gemiddelde stroom door snelheid, roterende snelheid en kanaal hydraulische diameter, de dimensieloze stroom impuls en energie vergelijkingen worden afgeleid als vergelijkingen (8) en (9) respectievelijk.

(8)

(9)

Blijkbaar, η in vergelijking (9) is een functie van Re, Roes Bu = Ro²βτdR, die respectievelijk zijn bedoeld als Reynolds, rotatie en drijfvermogen getallen. Het getal van Rossby die de verhouding tussen inertial kwantificeert en Coriolis krachten gelijk is aan de inverse rotatiegetal in vergelijking (8).

Als T_b wordt berekend als T_ref + τs in een roterende kanaal onderworpen aan een uniforme warmtestroom, de τ waarde als alternatief kan worden geëvalueerd als Q_f/ (mC_pL) in welke Q _f, m es L zijn de convectie verwarming macht, koelvloeistof debiet massa en lengte, respectievelijk kanaal. Dus, de dimensieloze lokale fluid bulk temperatuur, η_b, is gelijk aan s/d en de dimensieloze temperatuur aan kanaal muur, η_w, levert [(T_w–T_b ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Met de overdrachtsnelheid van de Convectie hitte gedefinieerd als Q_f/ (T_w–T_b), het temperatuurverschil van de dimensieloze muur-tot-vloeistof, η_w–η_b, is in het lokale nummer van Nusselt via vergelijking (10) in welke ζ converteerbare is de functie van de dimensieloze vorm van verwarming gebied en kanaal doorsnede.

(10)

Met een aantal vooraf gedefinieerde geometrieën en de randvoorwaarden van de hydrodynamische en thermische, worden de dimensieloze fracties beheersing van het lokale Nusselt aantal een roterende kanaal aangeduid als:

(11)

(12)

(13)

Met experimentele tests, de aanpassing van de snelheid, N, roteren voor verschillende Ro voor het genereren van de warmte-overdracht verandert gegevens op verschillende sterktes van Coriolis krachten onvermijdelijk de centripetale versnelling, en dus de relatieve sterkte van roterende drijfvermogen. Bovendien, een set van warmte overdracht van gegevens verzameld is uit een roterende kanaal is altijd onder voorbehoud van een beperkte mate van roterende drijfvermogen effect. Bekend van de individuele gevolgen van Coriolis-force en drijfvermogen voor de warmte-overdracht te uitvoering van een roterende kanaal vereist het afkoppelen van de Ro es Bu effecten op de eigenschappen van de Nu via de post verwerking van de gegevens procedure die is inbegrepen in de huidige experimentele methode.

De voorwaarden voor een roterende kanaal binnen een gas turbine rotor blade motor en laboratorium stroom kunnen worden opgegeven in de bereiken van Re, Ro es Bu. De voorwaarden van de typische motor voor de koelvloeistof doorstromen van een gas turbine rotor blade, evenals de bouw en inbedrijfstelling van de roterende testfaciliteit die experimenten worden uitgevoerd in de buurt van de werkelijke motor voorwaarden toegestaan werd gemeld door Morris² . Op basis van de voorwaarden van de realistische motor samengevat door Morris², bouwt Figuur 1 de realistische bedrijfsomstandigheden in termen van Re, Ro es Bu bereiken voor een roterende koelvloeistof kanaal in een gas turbine rotor blade. In Figuur 1, wordt de vermelding van een motor in de slechtste conditie voorwaarde op de hoogste snelheid van de rotor en de hoogste dichtheid verhouding draaiende motor genoemd. In Figuur 1ontstaan de ondergrens en de slechtste motor respectievelijk bedrijfsomstandigheden bij de laagste en hoogste toerentallen. Het is uiterst moeilijk te meten van de distributie Nu volledig-veld van een roterende kanaal met een echte motor snelheid tussen de 5000 en 20.000 rpm. Echter, op basis van de wet van de gelijkenis, laboratoriumschaal proeven zijn uitgevoerd met verminderde roterende snelheden maar met verschillende pogingen om te zorgen voor een volledige dekking van de onroerend-engine Re, Ro es Bu bereiken. Als een innovatieve experimentele methode, de NASA HOST programma^3,4,5,6 aangenomen de hogedruk tests voor het verhogen van de vloeistof dichtheden in de vooraf gedefinieerde Re in om het Ro -bereik uitbreiden door vermindering van de gemiddelde snelheid van vloeistof. In dit verband betreffen de specifieke relaties tussen Re, Ro es Bu voor een ideaal gas met een gasconstante, R_cen viscositeit, μ, als:

(14)

(15)

Om de laboratoriumomstandigheden in de nominale correspondentie met motor voorwaarden gezien in Figuur 1, de snelheid, N, koelvloeistof druk, P, kanaal hydraulische buitendiameter ddraaien, roterende straal, R, en muur-tot-vloeistof temperatuurverschil, T_w–T_b, moeten worden gecontroleerd voor het afstemmen van de realistische Re, Ro es Bu bereiken. Duidelijk, is een van de meest effectieve manieren om uit te breiden het bereik van Ro toe kanaal hydraulische diameter, zoals Ro evenredig aan de d^{2 is}. Laboratorium warmte overdracht detest realistische N is uiterst moeilijk, is de koelvloeistof druk, P, technisch makkelijker worden verhoogd voor het uitbreiden van Ro bereik; zelfs als Ro alleen evenredig aan P is. Op basis van deze theoretische achtergrond, is de ontwerpfilosofie van de huidige experimentele methode het vergroten van Ro door de roterende test kanaal met behulp van de maximale hydraulische diameter toegestaan om te passen in het roterende tuig Drukbehandeling. Het Ro -bereik is gestegen, is van Buruli Ulcus dienovereenkomstig uitgebreid zoals Bu evenredig met de Ro^{2 is}. In Figuur 1zijn de laboratorium testvoorwaarden vastgesteld voor het genereren van de warmte overdracht van gegevens van roterende kanalen ook opgenomen^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}. zoals aangegeven in Figuur 1, de dekking van realistische motor voorwaarden door de beschikbare warmte overdracht van gegevens is nog steeds beperkt, vooral voor het benodigde bereik van de Bu . De open en de gekleurde solide symbolen afgebeeld in Figuur 1 zijn de puntige en full-veld warmte overdracht experimenten, respectievelijk. Zoals in Figuur 1worden verzameld, overdracht allermeest naar de warmte van gegevens met koeling toepassingen tot gas turbine rotor bladen^{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} zijn punt metingen met behulp van de methode thermokoppel. De muur geleiding effecten op het meten van de muur geleidende heat flux en de temperaturen bij vloeistof-muur interfaces ondermijnen de kwaliteit van de warmte overdracht gegevens geconverteerd vanuit de metingen van de thermokoppel. Ook de warmte overdracht metingen^{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} de thermokoppel-methode niet wordt gedetecteerd door de twee-dimensionale warmte overdracht variaties over een roterende oppervlak. Met de huidige experimentele methode^29,30,31,32is het opsporen van full-veld Nusselt aantal distributies over de roterende kanaal muur toegestaan. De minimalisering van de muur geleiding effect met behulp van 0,1 mm dik roestvrij staal folies met Biot nummers >> 1 voor het genereren van de macht van de verwarming door de huidige experimentele methode toelaat de eendimensionale warmtegeleiding van de verwarming folie om de stroom van de koelvloeistof. In het bijzonder is de verwerving van full-veld warmte overdracht van gegevens met betrekking tot zowel de Ro es Bu effecten niet toegestaan met behulp van de voorbijgaande LCD-techniek en de thermokoppel-methode. Met de huidige steady-state vloeibare kristallen thermografie methode¹⁹schakelt de detecteerbare temperatuurbereik van 35-55 ° C het genereren van warmte overdracht van gegevens met realistische dichtheid ratio’s.

Met de parameters van de stroom de warmteoverdracht in een roterende kanaal bestuur om aan te tonen dat de volledige dekking van realistische motor voorwaarden gezien in Figuur 1 is nog niet bereikt, dus de noodzaak voor het verkrijgen van de volledige-veld warmte Verstuur uw gegevens aan realistische motor voorwaarden voortdurend heeft aangedrongen. De huidige experimentele methode maakt de generatie van de full-veld warmteoverdracht met zowel Coriolis-kracht en roterende-drijfvermogen effecten waargenomen. De protocollen zijn gericht op het bijstaan van de onderzoekers te ontwikkelen van een experimentele strategie relevant zijn voor de realistische vol-veld warmte overdracht meting van een roterende kanaal. Samen met de analysemethode parametrische die uniek is voor de huidige experimentele methode, is de generatie van de warmte overdracht correlatie voor de beoordeling van de geïsoleerde en onderling afhankelijke Ro es Bu effecten op Nu toegestaan.

Het artikel illustreert een experimentele methode gericht op het genereren van de tweedimensionale warmte overdracht van gegevens van een roterende kanaal met stromingscondities vergelijkbaar met de realistische gas turbine motor voorwaarden maar veel lagere roterende snelheden in de laboratoria. De methode ontwikkeld om de roterende snelheid, de hydraulische diameter van test kanaal en het scala van muur-tot-vloeistof temperatuurverschillen voor het verwerven van de warmte-overdracht gegevens op realistische motor voorwaarden wordt geïllustreerd in de inleiding te selecteren. De kalibratie-tests voor de infrarood thermografie-systeem, de warmte verlies kalibratie test en de werking van de roterende beproevingsinrichting van de warmte-overdracht worden weergegeven. De factoren die veroorzaken de aanzienlijke onzekerheden voor heat transfer metingen en de procedures voor de ontkoppeling van de Coriolis-kracht en drijfvermogen effecten op de warmte overdracht eigenschappen van een roterende kanaal worden beschreven in het artikel met de selectieve resultaten om aan te tonen van de huidige experimentele methode.