反向旋转盘间非稳态换热特性的实验研究

　　反向旋转盘间非稳态换热特性蔡毅，徐国强，陶智，汀，何亚军北京航空航天大学航空发动机气动热力重点实验室，北京100083情况下改变冷气流量和改变两盘转速对两盘温度和盘面平均努塞尔数的影响结果明进气雷诺数是重要的影响因素，它对换热的影响是瞬时的，雷诺数升高两个盘面的努塞尔数同时增加；2在本实验范围内，转速对盘面换热的影响有限，而且它只影响转速变化的盘的面换热而对对面的盘没有明显的影响。

　　在航空发动机中采用高压涡轮转子和低压涡轮转子反向旋转的涡轮结构，方面可以省去两转间的导叶片。从而减轻涡轮的重量和减小气动损火，终提高推重比另方面可以减小飞机做机动飞厅时的陀螺力饥由于反转涡轮结构的这些优点，所以很多国家都在研究并己经在第代航空发动机开始采用。用于冷却反向旋转渴轮的冷气在两涡轮盘间流动，这样就形成了反收稿日期20030917修订日期2003传热及中气系统等方面的研究。

　　向旋转盘腔的流动和换热问，研究中多将其简化成形状相付简单的向旋转盘系统。1.国内外对反向旋转的两盘间稳态流动和换热做广定的研宄。描述流动结构并认为盘面换热主要受冷气流量和两盘转速的；！1彡响5实际发动机在飞行过程种要经历许多非稳定状态，又寸反㈧旋转盘非稳态流动和换热的研宄还未报道本文用实验的方法对冷气流量，两盘转速对盘面的1稳态换热的影响进研究1实验设备和实验模型实验是在北京航空航天大学航空发动机气动热力国防科技重点实验室的多功能旋转换热实验台上进行的实际涡沦盘是双面冷却，为使研宄简化，实验时取其半，在外转盘的背面装有玻璃棉和石棉板等绝热材料，然后用盖板将其压紧，使其尽可能满足绝热条件。

　　闯实验模型盘为下游盘。两盘的材料均为低碳钢，厚度为30出1有效直径为400，也上游盘中心开有直径为5的进气孔。下游盘为实心在上游盘面的不同半径上布置了2树4，热电偶，下游盘面的不同半径处布置了1对热电偶，1游盘的进气孔壁上布置了对热电偶所有热电偶的信号首先经过七化智能小型分散数据求集器进采集并放人。再通过滑环引电器转移到静止测试系统1两盘均可以倒250，171的转速双向旋转转速通过光电式数字转速来测量两盘的轮盘的加热，叫盘加热啁均保持800不变。

　　由压缩机提供的冷却空气经稳压箱后进入实验段1游的中心旋转轴。再经上游盘进气孔进入盘腔对两盘进行冷劫流量由涡街流量测试系统来测量所有测试信号都被送入计算机，进行监视保存和处理数据处理时，分别将实验测得的两盘冷却边壁面温度拟合成温度与径向坐标关系式，上游盘进气孔壁的温度拟合成温度与轴向坐标的函数，分别作为第1类边界条件。两盘加热边作为等热流边界条件处可；转盘背面按绝热边界条件处理实验时，当转盘在某条件下达到稳定后，记录所有的实验数据，作为求取转盘初始温度的条件，然后改变转速或流量，在每个时间步长，记录所有实验数据，用数值计算的方法求出盘内的温度分布和盘面的热流密度，进而根据牛顿冷却公式求得冷却友面对流换热的均努赛尔数平均努塞尔数的定义式为平均对流换热系数1的定义为其中，为从转盘冷却面散出的总流量，4为仉匝面枳为冷气入温度，为壁他平均温度，其平均方法为按面积加权平均2实验结果及讨论21流量变化对换热的影响役在冷气流7，突然货化后随时间的变化过程两盘的转速分别为+如和1气，然后开始加热，待系统达到热平衡后，记录所有的实验数据，作为本实验工况的初始条件，然后再将流量增加50kgh，J5E域分另l不同的流量，依次为2504小300小350馇400kgyH 450kgh和500kgh上的，线分别盘面上外不同半径处的温度外半径分an，89an，1572，188，198，在中对应的曲线由下到上从中可以看出，随着冷气流量的增大，上游盘和下游盘的盘面温度都明显降低。每次流量改变后，盘面温度开始降低的速度较快，然后逐渐减慢，终需要很常的时间才稳定下来另外，流量改变后，盘面各点温度随时间的变化率是相同的随无量纲时间的变化验过程。氓5个区域所对应的进气雷诺数分别随着进气雷诺数的增大，上游盘和下游盘盘面的平均努塞尔数都明显增大原因主要是流量时间流过转盘单位面积的冷气量加大，速度和温度边界层变薄，换热加强另方面，进气流量换热的加强。对于下游盘中心部分，进气流量的增加提高了冷气的进气流速，加强了对该部分的冲击冷却效果。

　　随无量纲时间的变化平均努塞尔数随流量的变化具有瞬时性，在每次进气雷诺数突然变化并保持稳定后，平均努塞尔数也立即变化并很快稳可以看出，整个上游盘稍大些。这主要是下游盘的换热条件要优于上游盘。

　　83时，所获得的实验结果和上述结果致22两盘反向旋转时转速对换热的影响化后上游盘和下游盘盘面温度逭时间的变化曲线实验开始时，向系统提供250 4的冷气和对两盘进行加热，并使下游盘转速保持1000，1不变，待系统达到热平衡后，记录所有实验数据，作为实验工况的初始条件然后将上游盘转速从，迅速提尚到500待系统稳定后，再将转速突然增加500以1如此直到上游盘转速为2000 rinh，l4K域对应的转速分别为0r随时间的变化k游盘转速改变后，下游盘面温，随时间的变化变化曲线5游盘转速改变后，下游盘面温度随时间的变化随着上游盘转速的增大，上游盘盘面温度逐渐降低，而下游盘温度则略有升高上游盘不同位置处，温度下降的幅度也不样随着半径的减小，温度下降的幅度越来越小，盘缘下降的幅度大，盘心基本不变随时间的变化努塞尔数随无量纲时间的变化下游盘转速突然增大后，上游盘温度有微小且盘面半径不同的位置下降的幅度不样，半径越大的位置下降的幅度越大，即在盘的边缘，温度下降的幅度大，而在盘心区域，温度基本上没有什么变化总的来说，无论是哪个转盘的转速增加，该盘的盘面温度都会下降，而另个盘的努塞尔数随无量纲时间的变化温度略微有些上升。

　　两盘转速突然变化后，盘面平均努塞尔数随时间平均努塞尔数明显增大，而下游盘的平均努塞尔数基本没有变化；随下游盘旋转雷诺数的增大，下游盘的平均努寒尔数打明显的增大。而上游盘的平均努塞尔数基本没有变化。说明某转盘旋转雷诺数的变化仅对本身的换热有定的影响，而对另外个转盘的换热影响较小。

　　3结论流量。两盘转速对其非稳态换热的影响，得到了以1主要结论冷气流量的改变对盘面换热影响非常明显，随着冷气流量的增大，盘面换热明显增强。冷7流量对换热的影响足瞬时的和伞场的在系统稳定后突然改变流量。两盘的，设将随之发生变化。开始，其变化的速度较快。随后变化的速度逐渐减慢，终需要很常的时间温度才稳定下来，外盘洛点温度随时间的变化率是相同的某转盘的转速突然变化只对本身的换热有定程度的影响随着该盘转速的增大，该盘面换热增强，而另外个转速不变的转盘的盘面换热基本上没穿发生变化，某转盘转，变化对该盘换热的影响略有滞后。此外，转盘转速的变化对本身盘血各处换热的影响是不同的。随半径的增大，影响的程，也越大