高旋转数内冷通道换热实验技术范文

《航空动力学报》2014年第九期

1实验技术与实验设备

1．1旋转换热实验台本实验技术的验证在北京航空航天大学航空发动机气动热力部级重点实验室的涡轮叶片通道旋转换热实验台上进行．实验台采用模块化设计，其结构如图1所示，主要由供气系统、动力系统、实验模块和测试系统组成．实验台使用一台大功率电动机提供旋转动力，并通过电控程序控制转速．实验段的加热电流和数据采集模块用电由直流稳压电源提供，经滑环引电器接入．实验段的温度数据经数据采集块转化为数字信号后，由滑环引电器引出并传送到计算机中进行处理．实验通道的压力采集通过实验室自主设计的多路选通旋转压力测量系统实现，其设计思想是通过选通系统控制实验段的多路引压管与有限输出管路之间的通断，使连通后的测压点气流经过动静转换传送给静止的压力变送器进行压力测量，并将采集到的压力数据实时转化成数字信号传输给计算机处理．

1．2技术思路为便于实验研究，一般将涡轮叶片通道适当简化和放大．在几何相似的基础上，通过对控制方程的无量纲分析，得到控制旋转系对流换热过程的无量纲准则数：雷诺数Re，旋转数Ro，浮力数Bo，普朗特数Pr以及沿程无量纲位置X／Dh．一般冷却介质是空气，变化不大的Pr基本可以当作常数处理．所以表示换热强度的努塞尔数可以表示为参照式（2）和式（3），低压旋转实验的参数控制方法可以解释为：在通道水力直径一定的条件下，增加气体流量可提高雷诺数；而由于气体压力较低，气流速度随之增加，在转速一定的情况下，旋转数降低．只有降低雷诺数或者提高转速才能提高旋转数．但是降低雷诺数不能显著提高旋转数，并使参数范围偏离真实涡轮叶片工作工况，而提高转速受限于实验台旋转能力，也只能有限地提高旋转数．由后续分析可知，低雷诺数和高转速还会降低实验精度．而如果提高旋转通道内气体压力，在通道流量和水力直径不变（即雷诺数不变）的条件下，由于气体密度随着压力的提高而增大，气流速度相应地降低，在转速一定的情况下，旋转数增大，从而可以在不降低雷诺数和增加转速的情况下达到较高的旋转数，实现高雷诺数和匹配的高旋转数．这是高旋转数通道换热实验技术的主要思想．但是，实验系统压力的提高面临着一系列困难，如实验气路的压力保持、供气管路的高压密封、进气系统的动静转换及旋转密封、实验通道的高压密封及承压设计等．为解决这些问题，本实验技术有针对性地对现有实验气路进行了改造．

1．3高压实验气路经过针对高压实验工况的实验台气路改造，当前实验系统可以保持通道内气体压力在500kPa以上，高压实验气路如图2所示．实验冷气由高压气源经过过滤和稳压而来，其流量由热式流量计实时采集，并藉由数控程序控制气动阀来实时调节．供气管路采用无缝钢管，实验台进气和内部管路采用硬质PU（polyurethane）管，管路连接处采用气密性良好的卡套接头，使实验气路可承受的最大压力达到1．013MPa．主要技术难点的解决方案如下．1）旋转进气：供气气路与实验台旋转气路的连通需要动静转换，并要求高压气密性，该部分通过采用旋转接头将冷气引入到实验段来实现．2）高压保持：通过调节背压阀可以维持阀前气流在一定压力水平，以保持上游的实验通道处于高压状态．背压阀较大的尺寸会压缩旋转实验段可用空间，更不便于背压阀的调节，故通过旋转接头的出气通道将出口气流导出到背压阀．3）出气冷却：被加热的出口气流在经过旋转接头流到背压阀的过程中，会不断加热相邻通道的冷气，使进口气流持续升温而难以达到热稳定．本文有针对性地在旋转臂配重段中安装换热腔以冷却通道出口气流，并充当部分配重．4）通道保护：由于通道内部流通高压气体，单靠通道本身承力、承压和密封比较困难，所以将通道安装在封闭的承压筒中，从进口上游向承压筒内通入高压气体使通道内外压力均衡，既保护了通道又提高了通道气密性．

2验证实验模型及数据处理

基于实验台当前的研究方向，本实验技术的验证实验通过光滑回转通道旋转换热实验展开．

2．1实验模型实验模型的主体是光滑U型通道，其结构如图3所示，通道截面是水力直径为24mm的正方形，通道长度与水力直径的比值为22．5，通道平均旋转半径与水力直径的比值为17．25．通道沿程的每个测点单元由铜块、电加热膜、热电偶以及保温材料、绝热隔板等构成．铜块的导热系数很高，可以认为热电偶所测温度即是测点位置处铜块壁面的平均温度．实验的加热方式为电加热膜（由镍铬电阻丝制成）加热，如图3所示，通过一层较薄的导热硅胶将电加热膜贴在铜块背面，壁面边界条件为等热流．电加热膜的加热量（即总加热量）分为铜块热损失（即通道热损失）和被通道气流带走的热量，实验中通道热损失主要是铜块背面通过保温材料向环境散失的热量．通道热损失的估算在气体流量为零，通道内塞满绝热岩棉的条件下进行，依据不同加热量及转速下的实验数据，得到相应实验工况下各通道热损失系数，用于热损失修正．

2．2数据处理根据1．2节中对控制旋转系对流换热过程的无量纲准则数的叙述，实验数据的处理方法如下：2．3通道热损失及误差分析依靠上述高压实验气路及实验模型，本文在Re为104～7×104，转速为0～1000r／min的范围内，进行了0°转角的高旋转数通道换热实验．图4（a）表示不同工况下的通道热损失占总加热量的比例，图4（b）表示不同工况下通道各面的Nu相对误差分布．可以看到，Re越低、转速越高的情况下，通道热损失占总加热量的比例越大，同时通道各面的Nu相对误差也越大．而低压实验在低雷诺数下实现高旋转数，使得总加热量较小，通道热损失占总加热量的比例很大，同时较大的通道热损失估算误差增大了实验误差．但是提高通道内压力可以在高雷诺数下达到高旋转数，通道热损失占总加热量的比例和实验误差均大大降低．在所有高压验证实验工况中，通道热损失占总加热量的比例最大不超过18％，除Re＝104工况外，通道各处的Nu相对误差最大不超过±10％．

3验证实验结果及其讨论

3．1验证实验的工况参数及可靠性图5为提高通道进口压力的情况下，验证实验在不同Re和n下达到的旋转数分布．可以发现，实验数据在组合参数RoX／Dh较小时同经验关系式的对应关系较好，而RoX／Dh较大时的对应关系较差．这和大多数实验研究数据与该经验关系式对比的结论一致，足以证明实验数据的可靠性，进而反映了本实验技术的可靠性．

3．2不同进口压力下的实验对比在保持Re＝2×104且温度比相近的条件下调整转速，以分别在低压和高压进口条件下达到相同的旋转数Ro，具体实验工况参数如表1所示．可以看到，与低压工况相比，高压工况在较低转速下就能达到相同的Ro，如保持Ro＝0．17时，低压工况的转速为800r／min，高压工况的转速则只需172r／min，体现了本实验技术的优越性．图7分别对比了表2中3组旋转数相同的工况的通道沿程Nu分布，以对比分析不同参数组合得到的实验结果（图中的A，B与表1中的编号对应）．结果发现，改变进口压力和转速而保持Ro不变时，通道各面的沿程Nu分布基本一致．这说明Ro各个组合参数此消彼长的变化不会影响通道换热特性，Ro可以较好地表征旋转效应。从图7中看到，转弯段受弯道效应的影响，换热显著增加．第2通道上游受弯道二次流的影响换热较强，且随弯道效应的减弱而沿程减弱，而第1通道在进口效应的影响下沿程换热逐渐减弱，进口效应的影响相对弱于弯道效应对第2通道的影响．旋转数较高时，哥氏力的作用使第1通道主流核心向后缘偏移，使前后缘产生换热差异；而在第2通道上游，弯道效应相较于哥氏力对通道换热起主导作用，前后缘换热差异相对较小．

3．3雷诺数对旋转效应的影响旋转状态下，通道中径向速度分量的不均匀导致了通道截面内哥氏力的不均衡，推动了主流型的偏移和二次流的产生．通常认为雷诺数的增加意味着流体在给定通道长度内的平均滞留时间的缩短，将削弱哥氏力的作用效果，但同时诱发了通道截面内速度梯度的增加，增强了哥氏力的不平衡性［15］，因而雷诺数在上述两方面对旋转效应产生了影响．目前公开发表的大部分相关文献均认为Nu与Re的指数形式（Ren）成正比，意味着对比分析同一雷诺数下旋转状态下的Nu和静止状态下的Nus，就能消除旋转状态下Re对通道换热特性的影响．上述分析的验证需要以大旋转数范围内的换热实验为基础，本实验技术实现了这一要求，并从验证实验数据中找到了3组Ro较为一致的工况（见表2）来对比分析，如图8所示。可以看到，在Ro＝0．40～1．26的范围内，每组Ro一致的两个工况的通道前后缘沿程Nu／Nus分布基本一致，而与各自工况的Re大小无关，充分表明Re对旋转效应的影响可以分离，Re和Ro不会相互耦合而影响通道Nu的分布，从而证实了Nu与Re的指数形式（Ren）成正比．因而可以在低雷诺数下进行高旋转数通道换热的实验研究，但是由之前的分析可知，低雷诺数实验的通道热损失占总加热量的比例和实验误差相对较大，因而在本实验技术基础上进行高雷诺数条件下的高旋转数通道换热实验尤为必要．图8中各工况下第1通道随着旋转效应的沿程增强，后缘Nu／Nus逐渐增大，而前缘Nu／Nus与后缘同步升高，不同于低旋转数下前缘换热减弱的情况．这主要是由于高旋转数下前缘附近流动受较强的浮升力作用，引起流动分离；且上述工况旋转数均超过了前缘沿程流动分离位置所对应的临界旋转数，使前缘在浮升力和哥氏力的交互作用下沿程换热增强．而第2通道上游在弯道效应的显著影响下各面换热差异较小，旋转效应对沿程换热的影响不明显，仅当弯道效应在通道下游减弱时，哥氏力和浮升力的交互作用才得以显现．上述实验现象是通过本文的高旋转数通道换热实验技术在高旋转数下发现的，另外还发现了径向入流通道后缘在高旋转数下的换热强于前缘的现象．这些研究成果将陆续详加阐述．

4结论

通过解决动静转换、压力保持等一系列关键问题，显著提高了通道内的气体压力，获得了高旋转数通道换热实验技术．通过实验技术验证实验，论证了实验技术的可靠性和优越性，证实了雷诺数和旋转数对通道换热的影响可以解耦．借助本实验技术实现的高雷诺数下的高旋转数通道换热实验可以大幅降低通道热损失占总加热量的比例，提高实验精度，并可以在大旋转数范围内发现新的旋转换热现象．总之，本实验技术为实现高旋转数通道换热实验提供了可靠的技术手段．

作者：程俊华倪彬邓宏武田淑青陈豪单位：北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力部级重点实验室中国航空工业集团公司商用航空发动机有限责任公司设计研发中心