Bài báo phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp thực nghiệm thường được sử dụng (nhiệt độ ổn định theo thời gian, nhiệt độ diễn biến theo thời gian và dao động nhiệt độ - TOIRT), bài báo đề xuất phương pháp xây dựng mô hình thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt cho mô hình màng phân phối trên cánh phun tuabin theo nguyên lý dao động nhiệt độ.
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HỆ SỐ TRAO ĐỔI NHIỆT THEO PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NHIỆT ĐỘ CHO MÀNG PHÂN PHỐI DẠNG TẤM PHẲNG DEVELOPING AN EXPERIMENTAL SYSTEM TO DETERMINE THE HEAT TRANSFER COEFFICENT BY ADOPTING THE TEMPERATURE OSCILLATION INFRA-RED THERMOGRAPHY METHOD FOR A JET IMPINGEMENT PLATE VŨ ĐỨC MẠNH*, PHẠM XUÂN PHƯƠNG, NGUYỄN TRUNG KIÊN, ĐÀO TRỌNG THẮNG Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân *Email liên hệ: manhvu@lqdtu.edu.vn Tóm tắt Các nghiên cứu màng phân phối cánh phun (cánh tĩnh) tuabin thường sử dụng mơ hình dạng trụ tròn khu vực mũi cánh mơ hình dạng phẳng khu vực lưng bụng cánh Do tương tác dòng phun dịng ngang, khu vực lưng bụng cánh có hệ số trao đổi nhiệt cục tăng lên rõ rệt Hệ số tính tốn mô CFD thực nghiệm, nhiên sai số kết mơ cơng trình cơng bố tương đối lớn sử dụng phương pháp RANS Qua việc phân tích ưu nhược điểm phương pháp thực nghiệm thường sử dụng (nhiệt độ ổn định theo thời gian, nhiệt độ diễn biến theo thời gian dao động nhiệt độ - TOIRT), báo đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt cho mơ hình màng phân phối cánh phun tuabin theo nguyên lý dao động nhiệt độ utilized in the current lieterature (e.g stational temperature with time, Transient Liquid Crystal Technique and Temperature Oscillation Infra-Red Thermography - TOIRT), an experiment system was developed in this work to determine the heat transfer coefficient for a jet impingement plate of turbine nozzles guide vane by TOIRT method Keywords: Turbine, heat transfer coefficient, TOIRT, jet impingement plate Mở đầu Màng phân phối chi tiết hợp kim chịu nhiệt dạng ống, đặt vào bên cánh tuabin nhằm thổi dịng khơng khí làm mát tốc độ lớn tới vùng có nhiệt độ cao mũi cánh lưng, bụng cánh Nó phương pháp làm mát tin cậy hiệu cho cánh phun, hệ số trao đổi nhiệt cục tăng tới 1000÷3000 (W/m2K), cánh hoạt động dịng khí có nhiệt độ tồn phần lên tới 1400oC [1] Từ khóa: Tuabin, hệ số trao đổi nhiệt, TOIRT, thực nghiệm Abstract Studying the jet impingement cooling method on turbine vane often uses cylindral models for the edge tip zone and flat plate models for the midchord region At the midchord region, there is an interaction between the jet flow and the crossflow and as such the local heat transfer coefficient increases markedly The heat transfer coefficient can be determined by CFD simulation or experiment, but the current literatures show that the simulation uncertainty is still relatively high Through analyzing the advantages and disadvantages of common experimental methods SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Mơ hình màng phân phối nhiều lỗ chịu ảnh hưởng dịng ngang D - Đường kính lỗ phun; S - khoảng cách lỗ; H - khoảng cách màng phân phối bề mặt cần làm mát (tấm đích) Để giảm bớt độ phức tạp cô lập số thông số, nghiên cứu đặc tính trao đổi nhiệt cánh sử dụng màng phân phối thường sử dụng mơ hình có hình dạng bản, đơn giản Mơ hình nghiên cứu màng phân phối khu vực mũi cánh thường đưa 95 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 dạng hình trụ trịn hình thang Tại khu vực lưng bụng cánh, bán kính cong lưng bụng cánh lớn nhiều so với đường kính lỗ phun nên màng phân phối đưa mơ hình phẳng Hình [2] Bài báo tập trung nghiên cứu màng phân phối dạng phẳng khu vực lưng (bụng) cánh, nơi có tương tác dòng phun dòng ngang Các màng phân phối có kích thước hình học khác nhau, hoạt động điều kiện nhiệt độ tính chất dịng mơi chất khác nên để đảm bảo tính tổng qt, nhiều cơng trình sử dụng lý thuyết đồng dạng để biểu diễn kết hệ số trao đổi nhiệt qua hệ số không thứ nguyên Nusselt Nu = hD l (1) Trong đó: D - Đường kính lỗ phun, m; λ - Hệ số dẫn nhiệt môi chất, W/mK; h hệ số trao đổi nhiệt dòng mơi chất bề mặt đích, (W/m2K) Ngồi thơng số vật lý dịng mơi chất, Nu cịn phụ thuộc vào số thơng số hình học H/D, S/D; Re = u j D n – số Reynold dòng phun, VR=uj/u c - tỷ số vận tốc dòng phun/dòng ngang [1] Để nghiên cứu vấn đề này, có cơng trình nghiên cứu mơ hình lỗ [3-6] Ngồi ra, có số cơng trình nghiên cứu mơ hình nhiều lỗ có đề cập đến dòng ngang đo hệ số trao đổi nhiệt số điểm sử dụng hữu hạn cặp cảm biến nhiệt độ [7], khơng xác định xác giá trị Nu cực đại lệch khỏi tâm lỗ phun, khơng có tranh tồn cảnh diễn biến Nu toàn Để xác định hệ số trao đổi nhiệt mơ hình màng phân phối, tác giả sử dụng phương pháp mô lý thuyết CFD [6, 8] thực nghiệm, nhiên việc mơ cịn có sai số lớn nên cần kiểm chứng kết thực nghiệm [9-11] Việc thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt thường sử dụng ba phương pháp: phương pháp nhiệt độ ổn định theo thời gian, nhiệt độ biến thiên theo thời gian dao động nhiệt độ (TOIRT) Khi đo hệ số trao đổi nhiệt phương pháp nhiệt độ ổn định theo thời gian (phương pháp 1), bề mặt đích cần có thơng lượng nhiệt q phân bố số theo thời gian Thông thường dùng gia nhiệt để sấy nóng đích, sau thổi 96 dịng khơng khí có nhiệt độ thấp vào bề mặt đích đo nhiệt độ điểm bề mặt Để đo nhiệt độ bề mặt dùng camera nhiệt (IR Camera) [11] thị màu (TLC) kết hợp với camera kỹ thuật số [8, 9, 12], trước dùng cảm biến nhiệt độ (hiện dùng đo điểm) [3, 4] Phương pháp có độ xác cao, ngun lý tính tốn, xử lý số liệu đơn giản Nhưng khó khăn gặp phải chiều dày đích phải mỏng (khi sử dụng IR camera TLC - để coi nhiệt độ hai bề mặt nhau), đồng thời nguồn điện trì gia nhiệt có cường độ dịng cao (lớn 50A [6], có 100A [12]) Để loại bỏ khó khăn liên quan đến việc gia nhiệt phương pháp 1, số tác giả sử dụng phương pháp nhiệt độ diễn biến theo thời gian (The transient liquid crystal thermography technique) - phương pháp Phương pháp xây dựng từ phương trình cân nhiệt lượng nhiệt lượng cấp vào, nhiệt lượng làm tăng nhiệt độ thành vách nhiệt lượng trao đổi với dịng khơng khí thổi từ màng phân phối (có thể có thêm nhiệt lượng trao đổi với môi trường) Phương pháp sử dụng thị màu TLC camera kỹ thuật số để hiển thị ghi lại diễn biến nhiệt độ theo thời gian [13, 14] Khó khăn lớn địi hỏi phần mềm để trích xuất nhiệt độ từ ảnh chụp có độ xác cao, cần xây dựng hiệu chỉnh thang đo có dải hẹp khơng tuyến tính [15], đặc biệt gần nghiên cứu mơ hình dịng đầu vào Cơng trình [16] đề xuất phương pháp dao động nhiệt độ (The Temperature Oscillation Infra-Red Thermography) - phương pháp (TOIRT) để đo hệ số trao đổi nhiệt đối lưu dựa vào liệu nhiệt độ thành vách đo camera hồng ngoại (IR camera) Từ độ trễ pha nhiệt độ bề mặt kim loại so với xung nguồn nhiệt cưỡng cấp vào (thường dùng đèn halogen) tính tốn hệ số trao đổi nhiệt Phương pháp TOIRT không phụ thuộc vào cường độ nguồn nhiệt, khơng địi hỏi nguồn nhiệt phân bố đồng bề mặt (như phương pháp 1), thời gian đo dài (tần số f=0,01Hz ÷0,2Hz) nên khơng địi hỏi tốc độ chụp cao (như phương pháp 2) [10, 17] Đồng thời phương pháp khơng địi hỏi sử dụng kim loại mỏng (tới vài chục μm phương pháp 1) kính chuyên dụng (như phương pháp 2), có khả nghiên cứu cho bề mặt có gân, gờ, rãnh Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm số lượng ảnh nhiệt lớn lần đo, trung bình SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 cần đo 3÷5 chu kỳ, xử lý số liệu từ vài trăm ảnh [10], đòi hỏi thời gian tài nguyên máy tính lớn Đồng thời, độ xác thuật tốn xác định độ trễ pha định tới độ xác kết hệ số trao đổi nhiệt, cần có phương pháp đồng thời gian ảnh chụp nguồn xạ Bên cạnh cần xác định thời gian trễ nhiệt thân đèn halogen, lên tới 100÷150 (ms) [10] với đèn cơng suất 50÷150 (W) tới 229ms công suất đèn 500W [17] Nhiệt độ bề mặt kim loại phụ thuộc vào yếu tố chính: hệ số trao đổi nhiệt hai phía h hδ, thơng số hình học (độ dày δ), thông số vật lý (hệ số dẫn nhiệt λ, nhiệt dung riêng C, hệ số khuếch tán nhiệt a) kim loại thông lượng nhiệt cưỡng q truyền tới kim loại (Hình 2a) Khi thơng số hình học, vật lý kim loại khơng đổi liệu nhiệt độ theo thời gian, thông lượng nhiệt q hệ số trao đổi nhiệt có mối quan hệ trực tiếp với nhau, ngun lý tính tốn phương pháp Từ phân tích ưu nhược điểm ba phương pháp trên, báo lựa chọn phương pháp TOIRT để xây dựng hệ thống thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt cho màng phân phối cánh phun động tuabin khí Mơ hình tốn học phương pháp TOIRT Sơ đồ nguyên lý đo hệ số trao đổi nhiệt phương pháp TOIRT thể Hình 2a Việc đồng thời gian camera nhiệt nguồn nhiệt thực nhờ máy sóng thiết bị đồng Dữ liệu nhiệt độ trước sau biến đổi Fourier điểm có dạng Hình 2b Khi cấp thơng lượng nhiệt q từ nguồn nhiệt (thường đèn halogen) biến thiên theo vận tốc góc ω liệu nhiệt độ tức thời điểm biến thiên có tính tuần hồn theo thời gian (Hình 2b) Đối với thành vách mỏng đồng có hệ số khuếch tán nhiệt a (m2/s), đồng thời bỏ qua dòng nhiệt khuếch tán theo chiều x y, ta có phương trình dẫn nhiệt chiều theo thời gian [10, 16]: ¶T ¶ 2T =a ¶t ¶z a) (2) b) Trong đó: t - Thời gian; z - Tọa độ theo chiều dày (Hình 2a) Điều kiện biên trường hợp phương trình cân nhiệt hai bề mặt (với z=0 z=δ) [16, 17]: ¶T l ¶z = hT z =0 w l d (3) z =0 d d (4) Trong đó: h, hδ - Tương ứng hệ số trao đổi nhiệt cần tìm (tại mặt tăng cường trao đổi nhiệt) mặt ngồi (mặt IR chụp ảnh) (Hình 2a); ω - Vận tốc góc nguồn nhiệt, q0 - Biên độ dao động nguồn nhiệt SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Sơ đồ hệ thống đo xác định hệ số trao đổi nhiệt phương pháp TOIRT a - Mơ hình ngun lý Wandelt Roetzel [16]; b - Diễn biến dao động nhiệt độ đặc trưng điểm theo thời gian [10] Cơng trình [16] trình bày bước biến đổi trung gian để thu hàm số biểu diễn mối quan hệ độ trễ pha φ(z) bề mặt xạ (z=δ) với hệ số trao đổi nhiệt h theo phương trình: tan = z= = c1 + + r c0 + 2 c2 + 2 c3 + 2r c1 + (5) 3 c2 + c3 Trong đó: r, ψ, ξ c0, c1, c 2, c3 xác định theo phương trình (6) [10, 16]; 97 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 r= h , h = , x =d w 2a (6) c0 = cosh x × cos x + sinh x × sin x c1 = cosh x × sinh x + cos x × sin x c2 = cosh x × sin x + sinh x × cos x c3 = cosh x × sinh x - cos x × sin x (7) Ở hàm sinh(x) cosh(x) hàm hyperbolic: sinh(x)=(ex-e-x)/2; cosh(x)=(ex+e-x)/2 Việc đồng bộ, xác định độ trễ đèn halogen thực phương pháp bán vô hạn (một mặt có h ≈ 0W/m2K), xác định thời gian trễ đèn halogen 500W sử dụng mơ hình thực nghiệm tdelay=0,205s Xây dựng hệ thống thực nghiệm TOIRT 3.1 Xây dựng sơ đồ trang thiết bị Sơ đồ thực nghiệm trình bày Hình gồm phần chính: kênh dịng phun dịng ngang Để tạo dịng khí cho dịng phun, hệ thống sử dụng máy thổi khí cơng suất định mức 0,8kW kèm điều chỉnh công suất Lưu lượng khơng khí đo theo ngun lý chênh áp qua tiết lưu I (ISO 5167-1:2003 [18]) Mức chênh áp đo thiết bị - Kimo MP 210G gắn áp kế vi sai MPR 10000 - có dải đo đến 10000Pa, độ phân giải 1Pa, độ xác ±0,2% ±10Pa [19] Ống đo có đường kính Dinside=30mm, tùy thuộc vào lưu lượng khí chảy qua mà lỗ tiết lưu có đường kính dorifice=7mm, 10mm 15mm, thiết kế theo tiêu chuẩn ISO 5167-2:2003 [20] Để ổn định dòng cho dòng phun sử dụng khoang ổn định kích thước 250x250x400 (mm) có màng san dịng Các lỗ phun đường kính 5mm khoan mica II có độ dày 6mm, tỷ số độ dày đường kính lỗ nằm dải thường gặp màng phân phối thực cánh tuabin Kênh dòng ngang bao gồm quạt 15 công suất 240W kèm điều chỉnh công suất, khoang ổn định áp suất 14 kích thước 350x350x350 (mm), ống dẫn dịng ngang mica có mặt cắt hình chữ nhật, kích thước Hx250mm (H khoảng cách từ màng phân phối tới bề mặt đích), chiều dài tính tới kim loại 500mm, sau đường dẫn khơng khí mơi trường có chiều dài 250mm Trước q trình đo, vận tốc dịng ngang khảo sát 10 điểm theo trục y thiết bị E-Instruments E8500 plus, kết cho thấy khu vực từ tâm đến vị trí cách thành 10mm vận tốc lệch khơng đáng kể coi chúng Khi thực nghiệm, thiết bị Testo 425 sử dụng để đo vận tốc nhiệt độ dịng chảy đường tâm kênh dẫn (Hình 3) Thiết bị Testo 425 có dải đo vận tốc từ đến 20m/s, độ nhạy 0,01m/s, sai số ±0,03m/s (hoặc ±5%), dải đo nhiệt độ từ -20÷70 oC, độ nhạy 0,1oC, sai số ±0,5oC nhiệt độ dải 0÷60oC [21] Để cân nhiệt độ dịng phun dịng ngang cửa hút quạt 15 có lắp đặt sấy 16 (kiểu điện trở) điều khiển kèm, sai lệch nhiệt độ hai dịng trì nhỏ 0,2oC (theo dõi cảm biến nhiệt số testo 425 số 15) Hình Sơ đồ thực nghiệm I - Lỗ tiết lưu; II - Màng phân phối; - Máy thổi khí; - Áp kế vi sai Kimo MP 210G; - Nhiệt kế điện tử; - Áp kế; - Hộp ổn định dòng; - Màng san dịng; - Ống dẫn khí; - Tấm kim loại; - Đèn halogen; 10 - Camera nhiệt FLIR i7; 11 - Máy tính; 12 - Thiết bị điều khiển; 13 - Testo 425; 14 - Hộp cấp khí cho dòng ngang; 15 - Quạt thổi; 16 - Bộ sấy 98 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Sơ đồ bước xử lý số liệu thực nghiệm [xmax*ymax] - Kích thước khung ảnh nhiệt; imax - Tổng số ảnh; T[xmax ymax imax], T’[xmax ymax imax] - Dữ liệu nhiệt độ dạng ma trận kích thước xmax*ymax*imax trước sau bù trôi liệu; φ[xmax ymax], φ’[xmax ymax] - Dữ liệu độ trễ pha dạng ma trận kích thước xmax*ymax trước sau thêm thành phần hiệu chỉnh; Tave(i) - Nhiệt độ trung bình tồn thời điểm chụp ảnh thứ i; φnullphase - Độ lệch pha thời điểm t=0 đèn halogen camera nhiệt; Δφdelay - Độ trễ nhiệt đèn halogen Tấm kim loại dùng làm đích có kích thước 250x250x1 mm Để cung cấp xung nhiệt cho kim loại, sử dụng bóng đèn halogen 500W điều khiển mạch điện tử, chu kỳ thay đổi dải 5÷60s Trong thử nghiệm này, tác giả lựa chọn chu kỳ p=30s, theo cơng trình [10] ξ cần nhỏ 0,5, ξ=0,09, đồng thời hệ số trao đổi nhiệt không thứ nguyên ψ cần nằm dải 0,1÷10 qt cao Trình tự bước xử lý số liệu thể Hình 4 Kết bàn luận 4.1 Kiểm tra hội tụ kết Mỗi chế độ thực nghiệm đo lần, kết thu từ thực nghiệm phân bố Nu tồn bề mặt đích (Hình 5) Với độ phân giải camera nhiệt, ma trận Nu thu có kích thước 230x170, tức xmax=230, y max=170 Nhiệt độ bề mặt kim loại đo camera nhiệt loại Flir i7, có dải đo -20÷250oC, độ nhạy nhiệt