Abkoppeln Corioliskraft und rotierenden Auftrieb Auswirkungen auf Vollfeld Heat Transfer Eigenschaften eines rotierenden Kanals

Während thermodynamischen Gesetze diktieren die verbesserte spezifische Leistung und thermische Wirkungsgrad einer Gasturbine-Engine durch Erhöhung der Turbine Eintrag Temperatur, sind mehrere heißen Motorteilen wie Turbinenschaufeln, thermische Schädigung anfällig. Interne Kühlung eine Gasturbine Rotorblatt ermöglicht eine Turbine Eintrag Temperatur über die Temperaturgrenzen der Kriechfestigkeit von der Klinge Material. Allerdings müssen die Konfigurationen von den internen Kühlkanälen das Schaufelprofil entsprechen. Vor allem dreht sich das Kühlmittel in das Rotorblatt. Solche harten thermischen Bedingungen für eine laufende Gasturbine Rotorblatt ist eine effektive Klinge Kühlschema sehr wichtig, die Struktur Integrität zu gewährleisten. Daher sind die Nahwärme Transfer Eigenschaften für einen rotierenden Kanal wichtig für die effiziente Nutzung der begrenzten Kühlmittelfluss zur Verfügung. Der Erwerb von Nutzwärme Daten übertragen, die für das Design der innerer kühlschmierstoffzufuhr Passagen auf realistische Motorbedingungen sind ist von zentraler Bedeutung bei der Entwicklung eine experimentelle Methode zur Messung der Wärme-Transfer-Eigenschaften von einem simulierte Abkühlung Durchgang innerhalb einer Gasturbine Rotorblatt.

Drehung mit einer Geschwindigkeit über 10.000 u/min verändert deutlich die Kühlleistung eines rotierenden Kanals in einer Gasturbine Rotorblatt. Die Identifizierung von Motorbedingungen für einen rotierenden Kanal ist zulässig, mit dem Gesetz der Ähnlichkeit. Mit Rotation können die dimensionslosen Gruppen, die TRANSPORTPHÄNOMENE im Inneren einen Radial rotierenden Kanal steuern durch die Ableitung der Fluss Gleichungen relativ zu einem rotierenden Bezugssystem aufgedeckt werden. Morris¹ hat den Impulssatz Erhaltung des Flusses relativ zu einem rotierenden Bezugssystem als abgeleitet:

(1)

In Gleichung (1), die lokale fluidgeschwindigkeit, V̄, mit der Position Vektor, R̄, bezogen auf einen Bezugsrahmen mit der Winkelgeschwindigkeit ωrotierende wird beeinflusst durch die Coriolis Beschleunigung in Bezug auf 2 (ω×V̄), die entkoppelte zentripetale Auftriebskraft, β(T–T_Ref) (ω×ω×R̄), der angetriebenen Piezo-Metrik Druckgradient, , und die Flüssigkeit dynamische Viskosität ν. Die referenzierte flüssige Dichte ρ_Ref, nennt man eine vordefinierte Fluid Referenztemperatur T_Ref, was ist typisch für die lokalen flüssigen Massentemperatur für Experimente. Wenn die irreversible Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie vernachlässigt werden kann, sinkt die Energie-Erhaltung-Gleichung auf:

(2)

Der erste Term der Gleichung (2) ergibt sich durch die Behandlung der spezifischen Enthalpie direkt auf die lokalen fluidtemperatur, T, über die Konstante spezifische Wärme C_pbezogen werden. Da die Störung verursacht durch Variation der Temperatur der Flüssigkeit in einem beheizten rotierenden Kanal flüssigkeitsdichte erheblichen Einfluss auf die Bewegung der Flüssigkeiten, bietet wenn es mit der zentripetalen Beschleunigung in Gleichung (1), der fluidgeschwindigkeit links und Temperaturfelder in einem Axial rotierenden Kanal gekoppelt sind. Auch variieren die Coriolis und zentripetale Beschleunigungen gleichzeitig wie die drehende Geschwindigkeit angepasst wird. So sind die Auswirkungen der Coriolis Kraft und Auftrieb auf den Feldern der fluidgeschwindigkeit und Temperatur drehen natürlich gekoppelt.

Gleichungen (1) und (2) in die dimensionslose Form offenbaren die Strömungsparameter, die für die Wärmekonvektion in einem rotierenden Kanal gelten. Mit einem im wesentlichen einheitlichen Wärmestrom auferlegt einen rotierenden Kanal, lokale flüssigen Massentemperatur, T_b, steigt linear in die streamwise Richtung s, von der Referenzpegel Einlass, T_Ref. Die lokalen flüssigen Massentemperatur richtet sich als T_Ref + τs, wo τ der Gradient der flüssigen Massentemperatur in Strömungsrichtung ist. Auswechslungen der folgenden dimensionslose Parameter:

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in den Gleichungen (1) und (2) wo V_bedeuten, N und d bzw. für die mittlere Strömung durch Geschwindigkeit, rotierende Geschwindigkeit und hydraulische Kanaldurchmessers stehen, stammen die dimensionslose Fluss Impuls und Energie Gleichungen als Gleichungen (8) und (9) bzw..

(8)

(9)

Offenbar, η in Gleichung (9) ist eine Funktion des Re, Round Bu = Ro²βτdR, die jeweils als Reynolds, Rotation und Auftrieb Zahlen bezeichnet werden. Die Rossby-Zahl, die das Verhältnis zwischen inertial quantifiziert und Coriolis Kräfte entspricht die inverse Drehzahl in Gleichung (8).

Wenn T_b T_Ref + τs in einem rotierenden Kanal unterliegen einem einheitlichen Wärmestrom berechnet wird, der τ -Wert bewertet werden kann alternativ als Q_f/ (mC_pL) in die Q _f, m und L sind die konvektive Heizleistung, Kühlmittel Durchflussmenge Masse und Länge, bzw. Kanal. Somit entspricht die dimensionslose lokalen flüssigen Massentemperatur, η_b, s/d und die dimensionslose Temperatur im kanalwandung, η_w, ergibt [(T_w–T_b ) /Q_f] [mC_p] [L/d] +s/d. Mit der Konvektionswärme Übertragungsrate definiert als Q_f/ (T-_w–T-_b), ist die dimensionslose Wand-zu-Fluid Temperaturdifferenz, η_w–η_b, die lokale Nusselt-Zahl über Gleichung (10) in welchen ζ umbaubar ist die dimensionslose Form Funktion der Heizung Bereich und Kanal Querschnittsfläche.

(10)

Mit einer Reihe von vordefinierten Geometrien und die hydrodynamischen und thermischen Randbedingungen sind die dimensionslosen Gruppen steuern die lokale Nusselt-Zahl eines rotierenden Kanals als identifiziert:

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Mit experimentellen Untersuchungen, die Einstellung der Drehgeschwindigkeit, N, ändert sich für unterschiedliche Ro um die Wärmeübertragung zu generieren Daten auf unterschiedliche Stärken der Coriolis Kräfte unweigerlich die zentripetale Beschleunigung, und somit die relative Stärke der rotierende Auftrieb. Darüber hinaus eine Reihe von Wärme übertragen Daten von einem rotierenden Kanal gesammelt unterliegt immer einem endlichen Grad rotierender natürliche Konvektion. Zur Offenlegung der Einzelwirkungen der Coriolis Kraft und Auftrieb auf die Wärmeübertragung Leistung eines rotierenden Kanals erfordert die Abkopplung der Ro und Bu Auswirkungen auf Nu Eigenschaften durch das Post-Datenverarbeitung-Verfahren, die ist in dem vorliegenden experimentellen Verfahren inklusive.

Motor und Labor Strömungsverhältnisse für einen rotierenden Kanal innerhalb einer Gasturbine Rotorblatt können durch die Bereiche des Re, Ro und Buangegeben werden. Die motortypischen Bedingungen für das Kühlmittel durchfließen eine Gasturbine Rotorblatt, sowie den Bau und Inbetriebnahme der rotierenden Prüfeinrichtung, die Experimente in der Nähe der tatsächlichen Motorbedingungen durchgeführt werden dürfen, wurde von Morris^{2 berichtet} . Basierend auf der realistischen Motorbedingungen zusammengefasst von Morris², konstruiert Abbildung 1 die realistischen Betriebsbedingungen in Bezug auf Re, Ro und Bu reicht für einen rotierenden Kühlmittel-Kanal in einer Gasturbine Rotorblatt. In Abbildung 1wird die Angabe der schlimmsten Zustand des Motors laufendem Zustand am höchsten Rotordrehzahl und die höchste Dichte-Verhältnis genannt. In Abbildung 1entstehen die Untergrenze und schlimmsten Motor Betriebsbedingungen bzw. bei der niedrigsten und höchsten Drehzahlen. Es ist äußerst schwierig, die flächenhafte Nu Verteilung eines rotierenden Kanals läuft bei einer echten Motordrehzahl zwischen 5000 und 20.000 u/min messen. Jedoch wurden basierend auf dem Gesetz der Ähnlichkeit, Labormaßstab Tests bei reduzierten rotierenden Geschwindigkeiten aber mit mehrere Versuche, um eine vollständige Abdeckung der Real-Motor Re, Ro und Bu bieten durchgeführt. Als eine innovative, experimentelle Methode angenommen die NASA HOST Programm^3,4,5,6 die Hochdruck-Tests zur Steigerung der flüssigen Dichte bei den vordefinierten Re in um zu den Ro durch eine Verringerung der mittleren fluidgeschwindigkeit erweitern. In diesem Zusammenhang beziehen sich die besonderen Beziehungen zwischen Re, Ro und Bu für ein ideales Gas mit Gaskonstante, R_cund Viskosität, μ, als:

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Laborbedingungen Motorbedingungen in Abbildung 1, die drehende Geschwindigkeit, N, Kühlmittel Druck P, hydraulische Kanaldurchmessers, d, drehen Radius, R, gesehen in der nominalen Korrespondenz mitbringen und Wand-zu-Fluid Temperaturdifferenz, T_w–T-_b, für den Abgleich der realistischen Re, Ro und Bu reicht kontrolliert werden müssen. Natürlich ist einer der effektivsten Ansätze zur Reichweitenverlängerung Ro Kanal hydraulischen Durchmesser erhöhen wie Ro proportional zur d^{2 ist}. Wie Wärme Übertragung Labortest bei realistischen N äußerst schwierig ist, ist der Kühlmitteldruck, P, technisch einfacher für Ro Erweiterung erhöht werden; auch wenn Ro nur proportional zur P. Basierend auf diesem theoretischen Hintergrund, ist die Design-Philosophie der vorliegenden experimentellen Methode Ro erhöhen durch Druckbeaufschlagung der rotierenden Test-Kanal mit der maximale hydraulische Kanaldurchmessers durfte in den rotierenden Rig passen. Die Ro -Reichweite erhöht haben, ist das Spektrum der Bu entsprechend erweitert, wie Bu Ro²proportional ist. In Abbildung 1sind die Labor Testbedingungen angenommen, um die Wärme übertragen Daten von rotierenden Kanäle erzeugen ebenfalls inklusive^{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}. wie in Abbildung 1angegeben, die Berichterstattung über realistische Motorbedingungen durch die verfügbare Wärme übertragen Daten ist noch begrenzt, vor allem für den gewünschten Bu -Bereich. Das Öffnen und die farbigen solide Symbole, die in Abbildung 1 dargestellt sind die Spitzen und Vollfeld Hitze Transfer Experimente, beziehungsweise. Wie in Abbildung 1gesammelt, übertragen Großteil der Wärme Daten mit Kühlanwendungen, Gas Turbine Rotor Blades^{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} sind Messungen unter Verwendung der Thermoelement-Methode. Die wandeffekte Wärmeleitung auf der Messung der Wand leitfähige Erhitzen Flux und die Temperaturen in der Flüssigkeit-Wand Schnittstellen untergraben die Qualität von Wärme übertragen Daten aus den Messungen Thermoelement umgewandelt. Auch die Hitze Übertragung Messungen^{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} mit der Thermoelement-Methode kann nicht die zweidimensionale Wärme Übertragung Variationen über eine rotierende Oberfläche erkennen. Mit dem vorliegenden experimentellen Methode^29,30,31,32ist die Erkennung von Vollfeld Nusselt Zahl Verteilungen über die rotierenden kanalwandung zulässig. Die Minimierung der Wand Wärmeleitung Effekt mit 0,1 mm dicke Edelstahl-Folien mit Biot Zahlen >> 1 die Heizleistung durch die vorliegenden experimentellen Methode generieren erlaubt die eindimensionale Wärmeleitung von der Heizfolie auf den Kühlmittelfluss. Insbesondere ist der Erwerb von Vollfeld Wärme Übertragungsdaten mit Ro und Bu -Effekte nicht zulässige Verwendung der transienten Flüssigkristall-Technik und Thermoelement-Methode. Mit der aktuellen stationären Flüssigkristall-Thermografie Methode¹⁹deaktiviert der nachweisbaren Temperaturbereich von 35-55 ° C die Erzeugung von Wärme übertragen Daten mit realistischen Dichteverhältnisse.

Mit der EZB die Wärmekonvektion in einem rotierenden Kanal Strömungsparameter nachweisen können, dass die volle Deckung der realistischen Motorbedingungen in Abbildung 1 zu sehen ist noch nicht erreicht, so die Notwendigkeit für den Erwerb der vollflächige Wärme übertragen Daten an realistische Motorbedingungen hat ständig aufgefordert. Die vorliegende experimentelle Methode ermöglicht die Erzeugung der vollflächige Wärmeübertragung mit Coriolis Kraft und drehen-auftriebseffekte erkannt. Die Protokolle sind unterstützen die Ermittler eine experimentelle Strategie relevant für die realistische Vollfeld Wärme Übertragung Messung eines rotierenden Kanals entwickeln soll. Zusammen mit der Methode der Parametrische Analyse, die für die vorliegende experimentelle Methode eindeutig ist, ist die Erzeugung von Hitze-Transfer-Korrelation für Beurteilung isoliert und voneinander abhängigen Ro und Bu auf Nu gestattet.

Der Artikel zeigt eine experimentelle Methode zur Generierung von zweidimensionalen Wärme übertragen Daten von einem rotierenden Kanal mit Strömungsverhältnisse, die ähnlich wie die realistische Gasturbine Motorbedingungen aber mit wesentlich geringeren rotierenden Geschwindigkeiten in Betrieb die Dolby Laboratories. Die Methode entwickelt, um wählen die drehende Geschwindigkeit, der hydraulische Durchmesser der Testkanal und die Auswahl an Wand-zu-Fluid Temperaturunterschiede für den Erwerb der Wärmeübertragung, die Daten auf realistische Motorbedingungen in der Einleitung dargestellt ist. Die Kalibrierungstests für die Infrarot-Thermografie-System testet die Wärme-Verlust-Kalibrierung und der Betrieb von der rotierenden Hitze-Transfer-Prüfstand werden angezeigt. Faktoren, die zu erheblichen Unsicherheiten für Wärme zu übertragen, Messungen und die Verfahren zur Entkopplung der Corioliskraft und Auftrieb Auswirkungen auf die Hitze-Transfer-Eigenschaften eines rotierenden Kanals sind beschrieben in dem Artikel mit der selektiven Ergebnisse die vorliegende experimentelle Methode zu demonstrieren.