高位垂直进气旋转盘非稳态换热的实验研究

　　北京航空航天大学学报高位垂直进气旋转盘非稳态换热的实验研究罗翔徐国强汀陶智北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100083⑵摘法对晋垂直进气师料辟蓖妇欧嫌冗下的办1动与换，特性进行了研究，主要研究了冷气流量系数和旋转雷诺数的变化对盘面温度和平均努塞尔数的影响。结果叟现冷气流量的改变对盘面的换热影响非常明显，盘面各点温度随时间的变化率是相同的；旋转雷诺数增加使盘面平均努塞尔数增大，旋转雷诺数变化的方式导致盘缘区域温度随时间的变化率与中心区域的不同。

　　文南，识码人文章编号1001高位垂进气是航空发动机涡轮盘冷却的种常方式，它既可以使全盘平均温度降低。又可以使径向温差减小吨等研允射流位置喷嘴转盘间距和射流孔数对由旋转盘换热的影响。1如。等3用液晶显的方法对带罩旋转盘面在不同进气位置时的局部对流换热逃行了研究。徐强等3对高位垂直进气转静系旋转盘附近冷气流动和换热特性进行实验研究，并且采用温合长度梭型对其进疔了数值计算的方法研究。以上这些研究都是在稳态流动条件下进行。但是实际的发动机是在非稳态情况下工作，有着比稳态情况下圯杂的流动换热。罗翔等5用实验的方法对中心进气涡轮盘附近冷气在非稳态情况下流动和换热特性进行了研本文用实验的方法研究高位进气旋转盘在流呈和转违变化时转盘的流动与换热特性。

　　1实验装置及测量设备阁1是将实际发动机涡轮盘进行简化的实验研究模型。实验件是个由低碳钢加工的厚3，直径444，1腿的圆盘。其结构2.

　　在旋转盘的背面边缘处开有内径虫外径如201深26的环形沟槽，加热用的电阻丝绝热加热电叫妗保温坛寸来自于供气系统的空气通过静盘上位于半径尺，155的30个直泠为6的进气孔冲卅旋转盘，与盘面对流换热17排出。其流量1由流孔板测量。

　　驱动装置是台18的交流电机，其转速由变频器进行调节和控制。实验时，主轴的转速可在03000，1内连续变化，其大小由光电数字转速仪测定。

　　本实验用电加热来校拟实际发动机涡轮叶片传导到涡轮盘上的热量。加热功率为10，0界固定不变，实验中改变的因素是转盘的转速和冷气流量。盘罩间隙和出气间隙固定不变，分别为=58.3imn1lSi=3.

　　利用热电偶测出转盘加热边和冷却边的温度，并分别拟合成温度与轴向坐标和温度与径向坐标的关系式作为加热边和冷却边的边界条件。

　　转盘中心力对称边，条件竹面为绝热边界条件。

　　和测温用的热电偶就埋在这里，因此实验件的有效实验半径为20电阻丝套打瓷管以防件路。将其均匀密绕在环形沟槽内。并耐火水泥将整个沟槽填满。在转盘的背面塞有玻璃棉和石棉板等绝热材料，然后用盖板将其压紧。在转盘的加热边及冷却边分别布置了6对和26对热电偶，详细描述可以义献5.

　　头验时，当转盘在某条件下达到热稳定后，记录所有的温度数据，通过求解导热微分方程获得盘内的温度场。作为转盘的初始温度。然后改变流景或转速。记录盘面温度和加热边的温度的变化，冉用数们计算的方法求解非稳态导热微分方程，到盘内的温度场和盘面的热流密度，迸而求得冷却面对流换热的局部和平均努塞尔数7，施3.=，7人，其中，为转盘材料的导热系数，由于转盘的温度变化范围不是很大，令其为定值转盘冷却面散出的总热量，为转盘有效面积；为冷气入口温度；为壁面平均温度，其平均方法为按面积加权平均计算时每个计算时间步长对应着实验时数据采集的个周期。

　　2头验结果和分析21无量纲冷气流量对换热的影响厂处的温度变化。旋转雷诺数，=2祆其中，为转盘角速度；为冷气密度固定为279，10开始为1.53父并开始加热。待每次系统热稳定后将勿在很短的时间内增大，依次从中可以看出，的增大可以降低盘面位进入腔体后流向周，然后流出腔体。由于进气形成个涡或几个涡在盘腔内不停地旋转。因此，心的增加将使腔内涡的运动加剧，有利于换热的加强。对于中心部分。汹的旋转作用强化了壁面的换热作用。，降低。，改变后。盘面各点随，间的变化率是相同的。这说明，的改变对盘面各处换热的影响是相同的。

　　及为转盘半径的关系，4.的改变导致速度场的改变是全场和瞬时的。CW旦改变，流场也很快随着改变，很快达到个稳定状态。从可以看出，加随，的变化具有瞬时性，在每次，突然变化并马上稳定后，施1也立刻发变化并很快稳定。整个曲线阶梯状分布。

　　在其他的情况下，所获得的，和，随时间变化的趋势和上述结果致。

　　2.2旋转雷诺数对换热的影响非稳态换热特性的影响进行了研宄。第种为7在特定的时间内做线性变化，第种为伽做阶越变化。

　　性变化时随1的变化过程。实验开始时，转盘不转，实验系统达到热平衡后，在3003内，及作从0增至8.371.至系统热稳定后，如再在30，3由于本实验为边缘加热，热量由边缘由外向里传递，所以边缘温度明显高于中心温度。从盘面温度变化可以看出，随着及外的增加，边缘的温度降低的速率火于中心温度降低的速率。这1于转盘边缘部分切向速度较大，对流换热加强降低较快。中心部分受涡旋转加强的影响，以及来自于边缘的热量的减少，导致了降低。该工况的从，波动较大，但总体的变化趋势是可以看出的。

　　在你+从，8.37父5的变化过程中，池，的总体趋势是逐渐增高的。

　　第种情况，心，同样固定在1.5，4，转盘不转。实验系统达到热1衡后。伽从，突然提到2.795，待系统热稳定后，及0再突然提高到5.58父105，热稳定后，及外又突然提高到8.37 5，待热稳定后。冉按述相反的过程进行实前种工况不同的是1突然发卞变化时。设边缘温度和中心部分温度儿乎同，开始发生变化，而且两者随时间的变化速率几乎相同。

　　边缘温度的下降主要是受的影响，当切向速度较大时，对流换热强度也增大。中心位置的温度下降较快以闪为，欠然变化，导致腔内射流孔以下的流动结构也突然变化，气体的流动加强，换热也加强。当7降低时，情况就倒过来了。8为该工况的地随7的变化。

　　3结论本之，实验的力法研宄了高位垂直进气无童纲冷气流量和旋竹雷诺数对转静系旋转盘隹稳态换热的影响，得到了以下主要结论的改变对盘面的换热影响非常明显，随着的增大，盘面换热明显增强，而的减小，盘面换热明以减弱。对换热的沿响坫瞬时2当凡突然变化时。盘缘区域的随1的变化率大于中心域的，随7的变化率。如，随的增加而增加。

　　徐国强，陶智，丁水汀，等。高位垂直进气旋转盘流动与换热的实验研究1.航空动力学报，2000152164168徐国强，詹国治，丁水汀，等。高位垂直进气转静系旋转盘流动与换热计算刀。推进技术，20002144043罗翔，王建宁，徐国强。转速非稳态变化对中心进气旋转盘平均换热的影响1.航空动力学，2000153282290罗翔，王建宁，徐国强。流量变化对中心进气旋转盘平均换热的影响1.航空动力学报，2153278281