多级高压压气机旋转盘腔换热特性研究

123456aa · 发表于 2022-4-17 12:52:03

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雅宝题库解析：
在现代燃气轮机中，作为内冷系统的一部分，有时需要从压气机的低压级（或中压级）抽取冷气来冷却某些热端部件，在引气的过程中，冷气轴向贯通流过高压压气机的盘孔，在由两个相邻盘组成的旋转腔体内产生二次流动。了解压气机这些腔体内的流动和换热有两个很重要的原因：首先，发动机的设计者需要知道冷却热端部件气体的进口温度；其次，设计者需要了解压气机盘的温度分布，以此来计算热应力、径向热应变以及盘的寿命等参数。基于上述原因，本文以接近于真实航空发动机高压压气机为模型，实验研究了多级旋转盘腔内的流动和换热特性；并结合数值模拟方法，深入研究了旋转腔内的流动和换热机理，探讨了惯性力、离心浮升力和哥氏力对旋转腔内流动以及换热的影响。目前，对流换热系数的获取方法主要是用热电偶测出壁面温度作为第一类边界条件，再通过求解导热微分方程进而得到表面的对流换热系数，研究发现，用该方法得到的局部对流换热系数存在巨大误差。针对这一题目，本文研制了一种对流换热系数传感器，并应用该传感器对冷气轴向通流多级旋转腔盘表面的换热特性进行了实验研究，获得了旋转盘迎风面与背风面的温度和对流换热系数径向分布。结果表明：在采用轮缘辐射加热时，盘表面的温度分布近似为抛物线型，且迎风面、背风面的温度分布为非轴对称的；相同条件下，背风面的平均温度水平高于迎风面。整体而言，盘面的换热可以分为两部分，即低半径区域由冲击冷却导致的强迫对流区和中、高半径处的类R_B对流区。无论是迎风面还是背风面，对流换热系数沿径向均呈双峰分布，两峰值点分别位于强迫对流区和类R_B对流区。为了进一步揭示旋转腔内的流动和换热机理，本文结合数值模拟的方法，从本质上分析了惯性力、哥氏力和离心浮升力对腔内流动和换热的影响。结果表明：惯性力的作用主要集中在腔体的低半径区域，且对迎风面的影响大于背风面。随着轴向雷诺数Rez即惯性力的增大，盘表面温度整体降低，对流换热系数两个峰值的大小随之增大，强迫对流区域内峰值的增幅尤为明显。离心浮升力的作用主要体现在高半径区域。整体而言，单独增大离心浮升力，会使盘表面的换热得到削弱。从流场来分析，随着离心浮升力的增大，自然对流增强，高半径区域内的换热相应地增强，但是自然对流的增强又阻碍了流体向高半径处的流动，从而削弱了该区域内的换热，综合结果来看，换热水平是减弱的。结合哥氏力，离心浮升力和哥氏力的综合作用主要控制了腔内中、高半径区域内的流动和换热。随着旋转雷诺数Reω的增大，即哥氏力和离心浮升力作用的增强，中、高半径区域内的类R_B对流作用增强，换热得到显著强化（这一点与单独改变离心浮升力作用时明显不同），而低半径区域内的换热变化不大。结合流动进行分析，在哥氏力和离心浮升力的综合作用下，旋转腔内r-θ面出现了旋向相反的对涡。随着离心浮升力和哥氏力作用的增强，腔内的基本流动结构（涡对数量）发生改变，从而使得腔内中、高半径范围内的换热变化显著。

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