于霄，呂多，李紅蓮，夏夢

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015；2.北京航空航天大學航空發(fā)動機氣動熱力國防科技重點實驗室，北京100083）

徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔換熱特性試驗研究

于霄1,2，呂多1，李紅蓮1，夏夢1

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽110015；2.北京航空航天大學航空發(fā)動機氣動熱力國防科技重點實驗室，北京100083）

為分析流量系數(shù)和旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)對徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤換熱效果的影響，采用試驗方法對徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔的換熱特性進行了研究。通過測試不同工況下的旋轉(zhuǎn)盤表面溫度，獲得了局部努賽爾數(shù)分布和平均努賽爾數(shù)的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：由于徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流動復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)盤面局部對流換熱系數(shù)受流動影響出現(xiàn)多頭分布的規(guī)律；同時，隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和流量系數(shù)的增大，轉(zhuǎn)盤的平均努賽爾數(shù)增大，平均換熱效果增強。

旋轉(zhuǎn)盤；徑向進氣；換熱特性；流量系數(shù)；旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)；燃氣輪機

0 引言

為了保證地面燃氣輪機可靠、高效地工作，現(xiàn)代燃氣輪機都設(shè)計有復(fù)雜的空氣系統(tǒng)。典型燃氣輪機空氣系統(tǒng)是從2級壓氣機盤間隙引氣，經(jīng)過2個盤之間的旋轉(zhuǎn)腔流向盤心，并經(jīng)盤軸間空腔向后和向前流動，以冷卻熱端部件和實現(xiàn)密封功能，這種引氣流動形式被稱為徑向進氣軸向出流的旋轉(zhuǎn)盤腔流動?？諝庀到y(tǒng)中引氣部分的設(shè)計是空氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，所以研究徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔的流動換熱特性對于空氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有非常重要的意義。徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的流動復(fù)雜，影響因素眾多，旋轉(zhuǎn)盤面的換熱特性受流動影響，所以精確的換熱規(guī)律不易得出。同時由于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對測試信號的影響，會導(dǎo)致測試誤差增加，所以試驗的準確性很難控制。在20世紀60年代，國外開始對旋轉(zhuǎn)盤腔進行了比較系統(tǒng)的理論分析和試驗研究，其中Firouzian、Owen、Chew[1-9]等對徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔理論模型的流動和換熱進行了大量研究，并將其稱為源—匯流動。中國的徐國強[10]、吉洪湖[11]、羅翔[12]、于霄[13-15]等對其他進氣方式（如中心進氣、高位進氣等）的旋轉(zhuǎn)盤進行了一些試驗方面的研究，但對徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔研究較少。

本文模擬地面燃氣輪機的實際工作環(huán)境，將真實燃氣輪機壓氣機部分的盤腔流動簡化為徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔模型，對其換熱特性進行試驗研究，并分析總結(jié)其流動換熱規(guī)律。

1 試驗裝置和測試手段

目前，國內(nèi)外多采用變色液晶和熱電偶測量換熱特性，但由于是旋轉(zhuǎn)換熱試驗，如何將旋轉(zhuǎn)信號準確地傳輸?shù)届o止采集設(shè)備，成為試驗的關(guān)鍵技術(shù)，本文采用熱電偶作為測量感受部件，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)遙測系統(tǒng)解決旋轉(zhuǎn)信號的傳輸，獲得了較好的試驗效果。

1.1 試驗裝置

典型的航空發(fā)動機空氣系統(tǒng)引氣方式如圖1所示，為模擬冷氣在壓氣機盤腔中的流動而設(shè)計的試驗臺如圖2所示，試驗件模型如圖3所示。

圖1 冷氣在壓氣機部分的流動

圖2 試驗臺

圖3 試驗件模型

試驗工作在北京航空航天大學航空發(fā)動機氣動熱力國防科技重點試驗室多功能旋轉(zhuǎn)試驗臺上完成。該試驗平臺可以完成轉(zhuǎn)速為3000 r/min以下，流量為1500 kg/h以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)部件的流動與換熱試驗。

試驗設(shè)備供氣系統(tǒng)提供壓縮空氣流經(jīng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓裝置，然后經(jīng)20個均布進氣孔進入試驗段的腔體，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)盤外緣2盤罩間形成的環(huán)形縫隙進入旋轉(zhuǎn)盤腔，沿盤面徑向內(nèi)流，對盤面進行冷卻，最后在盤心處軸向流出，其流量由熱式氣體質(zhì)量流量計測量，在0～1500 kg/h之間可調(diào)。進口間隙S2=11 mm，2盤間距S1=38 mm，旋轉(zhuǎn)盤直徑為670 mm。驅(qū)動試驗盤的動力裝置是1臺30 kW的交流電機，其轉(zhuǎn)速由電磁調(diào)速控制器進行調(diào)節(jié)和控制,其最大轉(zhuǎn)速為1200 r/min，經(jīng)變比為1∶3的皮帶輪帶動空心主軸旋轉(zhuǎn)。在試驗時，主軸的轉(zhuǎn)速可在0～3600 r/min內(nèi)連續(xù)變化，由光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表測定。

試驗采用電加熱方式模擬實際燃氣輪機中葉片傳導(dǎo)到盤的熱量。通過碳刷式引電器，將直流電引到旋轉(zhuǎn)盤外緣的加熱電阻片上進行電加熱。

1.2 試驗組件

試驗組件如圖4所示，試驗盤采用45號鋼加工，其厚度為20 mm，直徑為670 mm。試驗盤的外緣緊貼有加熱電阻片，為了固定及絕緣，在電阻片和輔助盤間填充耐火絕緣水泥。為簡化計算模型，對試驗盤背面及加熱邊進行絕熱處理，在其中填充酚醛樹脂泡沫和發(fā)泡膠等絕熱材料。試驗盤迎風面沿徑向布置了13對Φ=0.5 mm的銅-康銅熱電偶。在不同半徑處垂直于旋轉(zhuǎn)盤的表面開有Φ=1.5 mm的通孔，其與盤心距離分別為85、93、115、135、155、175、195、215、235、255、275、295、315 mm。在試驗盤的迎風面靠近孔處，沿周向開有深和寬各為1.5 mm、長為10 mm的引線槽。測溫的熱電偶從試驗盤背面經(jīng)小孔引到試驗盤迎風表面，將引線埋在小槽內(nèi)，熱電偶測點焊接在轉(zhuǎn)盤表面的金屬上，然后用絕緣導(dǎo)熱硅膠將小槽抹平，以避免干擾流場。在試驗盤盤緣的加熱邊上共布置了6個熱電偶，距迎風面的距離分別為0、5、6.2、10、14、15 mm。所有熱電偶從試驗盤的背面引到空心軸后再與隨主軸一起旋轉(zhuǎn)的遙測信號發(fā)射裝置相連接。

圖4 試驗組件

1.3 測試方法

試驗信號有靜止信號和旋轉(zhuǎn)信號2種。靜止信號采用ADAM溫度采集模塊直接采集，信號穩(wěn)定，校正后誤差很小。本試驗采用無線遙測技術(shù)，應(yīng)用單獨開發(fā)的旋轉(zhuǎn)遙測儀測試，測試信號由遙測信號發(fā)射裝置發(fā)出后，由遙測信號接受裝置接收，然后由計算機采集。旋轉(zhuǎn)遙測系統(tǒng)信號相對穩(wěn)定，溫度測量誤差可控制在±0.5℃以內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗的主要目的是要確定不同工況下旋轉(zhuǎn)盤表面的局部對流換熱系數(shù)h、平均努塞爾數(shù)Nuav，因此需要知道旋轉(zhuǎn)盤面的局部熱流密度分布。但在高速旋轉(zhuǎn)的盤上測量盤面各點的熱流密度極為困難。因此，試驗只測得了旋轉(zhuǎn)盤冷卻表面和加熱表面的溫度分布和其他表面絕熱，如果假設(shè)旋轉(zhuǎn)盤是軸對稱模型，則邊界條件是封閉的，如圖5所示。可以通過求解LAPLACE方程得到旋轉(zhuǎn)盤內(nèi)的溫度分布，進而求得熱流密度。本文分析的是穩(wěn)態(tài)溫度場試驗數(shù)據(jù)，所以根據(jù)熱平衡條件，旋轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鲗?dǎo)出的熱量等于冷氣對流換熱帶走的熱量，則下式成立

圖5 旋轉(zhuǎn)盤表面?zhèn)鳠岱治?/p>

式中：q為壁面導(dǎo)出的熱流，可以從LAPLACE方程求得；Qeff為有效的總加熱量；h為盤表面局部對流換熱系數(shù)；hav為盤表面局部對流換熱系數(shù)；R為轉(zhuǎn)盤外徑；r為當?shù)剞D(zhuǎn)盤半徑；λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)；Tw為轉(zhuǎn)盤表面溫度；T為冷氣進口溫度。

其中，式（1）為局部對流換熱系數(shù)的計算方法，式（2）為平均對流換熱系數(shù)的計算方法，式（3）為局部努賽爾數(shù)Nu的計算方法，式（4）為平均努賽爾數(shù)Nu的計算方法。根據(jù)式（1）～（4）可以得到平均努賽爾數(shù)隨流量系數(shù)和旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化規(guī)律。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 誤差分析

試驗誤差有直接測量誤差和間接測量誤差。本文直接測量誤差：溫度測試誤差為±0.5℃，流量測試誤差為5%，轉(zhuǎn)速測量誤差為±1 r/min。同時，在傳熱試驗中，由于在試驗中采用的絕熱材料并不能完全絕熱，因此必須考慮由熱損失引起的誤差。文獻[8]詳細分析了熱損失對試驗結(jié)果的影響，本文計算中采用了該分析方法。綜合分析以上影響因素，根據(jù)誤差傳遞原理，分析得出努賽爾數(shù)的誤差應(yīng)該為10%～30%，可以接受。

2.2 盤面溫度分布

在不同工況下轉(zhuǎn)盤表面的溫度分布如圖6所示。從圖中可見，在同一流量、不同轉(zhuǎn)速的各種工況下，隨著旋轉(zhuǎn)盤半徑的增加，盤面溫度逐漸上升，且溫度梯度不斷增大。這是由于采用盤緣加熱的方法所導(dǎo)致的，熱量從盤緣（高半徑處）向盤心（低半徑處）傳導(dǎo)，同時在高半徑處，熱邊界層剛剛形成，冷氣與盤面進行的對流換熱較強；在低半徑處，由盤緣傳導(dǎo)來的熱量較少致使溫度逐漸趨于平緩，在盤心處由于絕熱，溫度梯度幾近為零。

圖6 不同轉(zhuǎn)速時盤面溫度分布

加熱量不變，流量一定，隨著轉(zhuǎn)速的提高，換熱得到強化，盤面溫度總體呈下降趨勢，但溫度分布規(guī)律無明顯變化；同樣，加熱量不變，轉(zhuǎn)速一定，隨著流量的增加，換熱也會得到強化，盤面溫度同樣總體呈現(xiàn)下降的規(guī)律。

為了給轉(zhuǎn)盤第1類邊界條件進行溫度場計算，盤面溫度按如下曲線擬合為

該曲線能較好地擬合試驗測得的盤面溫度，如圖6中的實線所示。

2.3 盤面局部努賽爾數(shù)分布

計算得到了旋轉(zhuǎn)盤表面的局部對流換熱系數(shù)和局部努賽爾數(shù)，局部對流換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Reω（Reω=ωR2/v，式中：ω為轉(zhuǎn)盤角速度，v為運動黏度）和進氣流量系數(shù)Cw（Cw=m/μR，式中：m為進氣流量，為氣體動力黏度）的變換規(guī)律如圖7所示,橫坐標表示半徑。

圖7 轉(zhuǎn)盤表面局部對流換熱系數(shù)分布

從圖7中可見，局部對流換熱系數(shù)沿半徑呈現(xiàn)多頭分布的規(guī)律，這是由徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔流動的特點決定的。徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔的流動稱為源-匯流動，流動結(jié)構(gòu)如圖8所示?？拷P緣處,旋轉(zhuǎn)盤面與流體的相對切向速度最大，同時由于入口效應(yīng)，邊界層很薄，換熱較強。沿半徑向盤心，邊界層逐漸增厚，換熱強度逐漸降低；在高半徑（r=0.25 m）處，由于流體回流，速度降低，換熱強度達到第1個低點；在低半徑處，由于徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔流動的特點，順轉(zhuǎn)向哥氏力對流體加速，使流體速度的切向分量增加，所以換熱增強，導(dǎo)致對流換熱系數(shù)增大，出現(xiàn)又1個高點。局部對流換熱系數(shù)的多頭分布驗證了徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔流動的復(fù)雜，對徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔流換熱規(guī)律的研究也應(yīng)該沿半徑詳細分析計算，而不能僅僅分析平均效果。

圖8 轉(zhuǎn)盤表面局部努賽爾數(shù)分布

從圖8中可見，根據(jù)試驗結(jié)果可以得出局部努賽爾數(shù)Nu隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Reω和進氣流量系數(shù)Cw的變化規(guī)律：隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和進氣流量系數(shù)的增大，局部努賽爾數(shù)Nu有總體上升的趨勢。

2.4 盤面平均努賽爾數(shù)

圖9 轉(zhuǎn)盤表面平均努賽爾數(shù)分布

平均努賽爾數(shù)在工程應(yīng)用比較廣泛。平均努賽爾數(shù)隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和流量系數(shù)的變化規(guī)律如圖9所示。由于流量和轉(zhuǎn)速的增加都會強化換熱，所以圖9（a）中平均努賽爾數(shù)隨著流量系數(shù)的增大而增加，在流量系數(shù)較小時變化梯度較大，但隨流量系數(shù)的增大，變化趨勢趨于平緩，表明在流量系數(shù)較小情況下，旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)對Nu的影響明顯。圖9（b）表明，在流量系數(shù)一定的情況下，旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加使平均努賽爾數(shù)增大，并基本呈線性變化，由于隨旋轉(zhuǎn)的增加，黏性力作用明顯，導(dǎo)致流體速度的切向分量（轉(zhuǎn)速）迅速增加，強化換熱，無論試驗還是理論分析都證明，在較高工作狀態(tài)下，平均努賽爾數(shù)受旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的影響更明顯。

3 結(jié)論

（1）徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤表面溫度分布呈現(xiàn)出外高內(nèi)低的形態(tài)，試驗和數(shù)值模擬都證明表面溫度可以用2次曲線進行近似準確擬合。

（2）徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤表面的局部對流換熱系數(shù)呈現(xiàn)多頭分布，在高半徑區(qū)域（r＞0.25 m），隨著半徑的增大而迅速增大，在低半徑區(qū)域（r＜0.25 m），局部對流換熱系數(shù)變化平緩，沿半徑向盤心有增大的趨勢，這是由徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔的流動特點所決定的。

（3）旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和流量系數(shù)的增大，都會使旋轉(zhuǎn)盤的平均對流換熱系數(shù)和平均努賽爾數(shù)增大，增強旋轉(zhuǎn)盤的換熱效果。

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Experimental Investigation on Heat Transfer Characteristics in a Rotating Disk with a Radial Inflow

YU Xiao1，2，LYU Duo1，LI Hong-lian1，XIA Meng1
（1.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.National Key Laboratory on Aeroengines,Beihang University,Beijing 10083,China）

In order to analyze the effect of flow coefficient and rotating Reynolds number on the heat transfer in rotating disk with radial inflow,its characteristics were studied by the experimental method.The distribution of local Nusselt number and change rules of averaged Nusselt number were obtained by testing surface temperature of rotating disk in different working conditions.The experiment results show that the local convection coefficient has multi-head distribution in a rotating disk with a radial inflow due to the complicated flow.The averaged Nusselt number and heat transfer effect were increased with the increase of the rotating Reynolds number and flow coefficient.

rotating disk；radial inflow；heat transfer characteristics;flow coefficient;rotating Reynolds number;gas turbine

231.1

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.05.004

2013-05-07基金項目：航空動力基礎(chǔ)研究項目資助

于霄（1972），男，博士，高級工程師，從事航空發(fā)動機內(nèi)流冷卻和熱分析的設(shè)計工作；E-mail:yx-mail@sohu.com。

于霄，呂多，李紅蓮，等.徑向進氣旋轉(zhuǎn)盤腔換熱特性試驗研究[J].航空發(fā)動機，2014，40（5）：18-22.YU Xiao，LYU Duo，LI Honglian et al. Experimental investigation on heat transfer characteristics in a rotatingdisk with a radial inflow[J].Aeroengine，2014，40（5）：18-22.