（热能工程专业论文）旋转涡轮盘腔系统内部流场分布的实验和计算研究.pdf

西北工业大学硕 t 学位论文 摘要 在现代航空发动机中， 从压气机引出 的压缩空气一部分用来冷却 涡轮叶片 和 涡轮导向 叶片，另外 一 部分用来冷却和密封涡轮盘。学 握涡轮盘腔冷却系统内 气 流的运动规律是对航空发动机高温部件进行冷却的关键。 本文以 带有微型涡 轮的 旋转涡轮盘腔为 研究 对象， 采用实验和数值模拟相结 合的方法对其流动特性进行系统研究。实验采用五孔探针采集数据;数值模拟采 用二维轴对称、k 一 双方程湍流模型:具体研究了不同转速 (c 5个转速) 、不同进 气流量 (0 个流量) 、 不同 轴向 位置 ( 6个轴向 位置)时 旋转盘腔内部 流场的 分布 规律。 研究结果表明， 进气惯性力和旋转效应的 相对大小 是影响 带有微型涡 轮的 旋 转盘腔内部流场的主要因素，并且发现低转速时，进气惯性力主要控制流场内部 结构，过渡转速时，进气惯性力和旋转效应同时控制流场结构，高转速时，旋转 效 应主 要控制流场结构。研究还发现反预旋 进气处的射流角度也是影响带有微型 涡轮的旋转盘腔内部流场结构的重要因素。研究还得到了不同工况下，流场内部 切向速度、径向速度、轴向速度的不同分布规律。 通过相同工况的重复性验证及同转速时不同进气流量的互相验证，本文的实 验结果真实! 叮 靠。实验和数值模拟的比较研究结果表明数值模拟和实验结果基本 趋势符合良好。 关键词: 旋转盘腔反预旋喷嘴流场结构进气惯性力旋转效应 摘要 ab st r act i n m o d e rn i n d u s t r i a l g a s t u r b i n e s a n d a e r o - e n g i n e s , a s ma l l p e r c e n t a g e o f t h e c o m p r e s s e d a i r i s b l e d o f f f o r c o o l i n g a n d s e a l i n g p u r p o s e s . s o me o f t h e a i r i s u s e d f o r c o o l i n g t h e t u r b i n e b l a d e s a n d n o z z l e g u i d e v a n e s , a n d p a r t o f i t i s e m p l o y e d t o c o o l a n d s e a l t h e t u r b i n e d i s c s . i t i s c r u c i a l f o r c o o l i n g h i g h t e m p e r a t u r e p a r t s i n a e r o - e n g i n e s t o m a s t e r t h e r u l e o f 山 e fl o w f i e l d i n t u r b i n e d i s c s a i r c o o l i n g s y s t e m . t a k i n g t h e r o t a t i n g c a v i t y w i t h m i c r o - t u r b i n e a s r e s e a r c h o b j e c t , t h e n u me r i c a l a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e b o t h h a v e b e e n a p p l i e d t o s t u d y t h e fl o w c h a r a c t e r i s t i c s i n s i d e t h e r o t a t i n g c a v i t y . t h e f i v e - h o l e p r o b e s y s t e m w a s u s e d t o m e a s u r e t h e v e l o c i t y o f t h e fl o w . t w o - d i m e n s i o n a l a x i s y m m e t r i c s o l v e r , i n c o rp o r a t i n g t h e k - “ t w o e q u a t i o n s t u r b u l e n c e m o d e l , w a s u s e d t o c o mp u t e t h e fl o w . t h e in fl u e n c e o f r o t a t i o n a l s p e e d , i n l e t m a s s fl o w r a t e a n d a x i a l l o c a t i o n w a s s u mm a r i z e d . t h e r e s u l t s r e v e a l t h a t t h e r a t i o b e t w e e n i n fl o w i n e rt ia f o r c e a n d r o t a t i n g e f f e c t i s t h e m a i n f a c t o r t h a t in fl u e n c e s t h e fl o w . it a l s o i n d i c a t e s t h a t t h e fl o w is m a i n l y c o n t r o ll e d b y t h e i n fl o w in e rt ia f o r c e a t l o w e r r o t a t in g s p e e d , a n d b y r o t a t i n g e f f e c t a t h ig h e r s p e e d , b y b o t h f a c t o rs a t t r a n s i t i o n s p e e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fl o w s t r u c t u r e i s a l s o c o n t r o l l e d b y t h e d e - s w i r l n o z z l e s i n l e t a n g l e . t h e n , t h e d i s t r i b u t i o n o f t a n g e n t i a l , r a d i a l a n d a x i a l c o m p o n e n t o f v e l o c i t y i s g i v e n i n t h e p a p e r . t h e e x p e r i m e n t d a t a i s r e a s o n a b l e g o o d a n d a g r e e s c l o s e l y w i t h t h a t o f t h e c o m p u t a t i o n . k e y w o r d s : r o t a t i n g c a v i t y ; d e - s w i r l n o z z l e s ; f l o w s t r u c t u r e; i n t i o w i n e r t i a f o r c e ; r o t a t i n g e f f e c t 西北工业人学硕_ 学位论文 主 要 符 号 表 压力 a 盘腔进口压力 半径 温度 几今ka 气体常数 密度 涡轮 前温度 凡凡长叭cw r p m 转速 转每分 旋转角速度 , . 速度 轴向速度 径 向速度 切 向速度 k紊流脉动动能 耗散率 体积流量 质量流量 动力粘性系数 运动粘性系数 定容比热 定压比热 赶 孔探针校正系数 五孔探针校正系数 五孔探针校正系数 五孔探针校正系数 旋转雷诺数 无量纲质量流量 壁面无量纲距离 耗散函数 探针校验角度 探针校验角度 西北丁业人学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 妇 . 1 研究工作的背景及意义 现代航空发 动机的指标有高推重比、 低油 耗、小 体积、 高机动性和具有很好 的可靠性。 高 推重比 和低油耗都是通过提高涡 轮前温度t 3 * 而实 现的， 因此， 随着 现代航空发动机性能的提高，航空发动机的涡轮前温度也越来越高。我国预研的 推重比 1 0一级发动机的涡轮前温度约为 1 8 5 0 - 1 9 5 0 0 c 。在高温环境下的涡轮转子 能否安全可靠地工作， 主要取决于转子内各热部件 涡 轮叶 片、 涡轮盘、 轴等) 的温 度水平和温度分布。因而，要使材料能够承受如此高的温度， 一方面要 研制新型 材料， 使材 料能够耐更高的 温度:另 一方面对涡 轮转子进行有效的 冷却，使其能 在高温下可靠的工 作。 如 今， 新材料( 如陶瓷材料) 己可承受 很高的 温度， 但它们在 强度和振动方面还存在很大的问题，所以 广泛采用了冷气技术。先进的、合理的 冷却方法不但提高了涡轮转 子的承受温度，而且还大大延长了涡轮转子的使用寿 命，如把涡轮叶片的工作温度降低 1 5 0 0c，可使叶片的寿命延长一倍左右。 发动机最现实的 冷却 介质是空 气， 单从冷却角度讲，冷却空气用量越高 其冷 却效果越好。但是冷却空气的 过量使用又会使发动机的总体性能降低。因此在给 定冷气用量的前提条件下，寻求最佳的冷却结构就成为热部件流动与换热研究的 主要目的。对航空发动机涡轮旋转部件的研究主要集中在对叶片内部通道换热和 流动的研究以及对涡轮盘腔内气体流动和换热的研究。但是，用于冷却叶片的空 气是先进入涡轮盘腔中，然后从叶片根部下的小孔流入叶片。因此，深入地了解 涡轮盘腔中 流场的基木特性对改进冷却结构设计， 减少对 冷却气量的需求，从而 提高发动机性能是十分有意义的。 先 进的航空发动机中有各 种各样的 涡轮盘腔结构， 其中一 种常见的结构是从 压气机引出 一 部分高压冷却厂 流，其中一部分空气用来冷却涡轮叶片和涡轮导向 叶片，另外一部分用来冷却和密封涡轮盘。涡轮盘腔 if 以分为两类:静子一 转子系 统和转子一 转子系统。 如图t 一1 ( a ) 所示的 静子一 转子 系统中， 从中 心流入盘腔的空 气冷却涡轮盘后，从静子一 转子系统密封处流出，起到了防止主流燃气入侵盘腔的 作用。涡轮设计人员需要计算出涡轮盘的温 度来估计盘的 应力分布和寿命， 还需 要知道防止燃气入侵的空气量和冷却的效果、空气的摩擦阻力 和压力分布。 在许 多应用中， 冷却空 气通过静止机匣上的预旋喷嘴来冷却叶 片。喷 嘴使空气沿着盘 的旋转方向 旋转来降 低相对于叶片的 冷却空气的温度。设计人员需要知道预旋气 西北丁业人学硕 卜 学位论文 第一章 绪论 妇 . 1 研究工作的背景及意义 现代航空发 动机的指标有高推重比、 低油 耗、小 体积、 高机动性和具有很好 的可靠性。 高 推重比 和低油耗都是通过提高涡 轮前温度t 3 * 而实 现的， 因此， 随着 现代航空发动机性能的提高，航空发动机的涡轮前温度也越来越高。我国预研的 推重比 1 0一级发动机的涡轮前温度约为 1 8 5 0 - 1 9 5 0 0 c 。在高温环境下的涡轮转子 能否安全可靠地工作， 主要取决于转子内各热部件 涡 轮叶 片、 涡轮盘、 轴等) 的温 度水平和温度分布。因而，要使材料能够承受如此高的温度， 一方面要 研制新型 材料， 使材 料能够耐更高的 温度:另 一方面对涡 轮转子进行有效的 冷却，使其能 在高温下可靠的工 作。 如 今， 新材料( 如陶瓷材料) 己可承受 很高的 温度， 但它们在 强度和振动方面还存在很大的问题，所以 广泛采用了冷气技术。先进的、合理的 冷却方法不但提高了涡轮转 子的承受温度，而且还大大延长了涡轮转子的使用寿 命，如把涡轮叶片的工作温度降低 1 5 0 0c，可使叶片的寿命延长一倍左右。 发动机最现实的 冷却 介质是空 气， 单从冷却角度讲，冷却空气用量越高 其冷 却效果越好。但是冷却空气的 过量使用又会使发动机的总体性能降低。因此在给 定冷气用量的前提条件下，寻求最佳的冷却结构就成为热部件流动与换热研究的 主要目的。对航空发动机涡轮旋转部件的研究主要集中在对叶片内部通道换热和 流动的研究以及对涡轮盘腔内气体流动和换热的研究。但是，用于冷却叶片的空 气是先进入涡轮盘腔中，然后从叶片根部下的小孔流入叶片。因此，深入地了解 涡轮盘腔中 流场的基木特性对改进冷却结构设计， 减少对 冷却气量的需求，从而 提高发动机性能是十分有意义的。 先 进的航空发动机中有各 种各样的 涡轮盘腔结构， 其中一 种常见的结构是从 压气机引出 一 部分高压冷却厂 流，其中一部分空气用来冷却涡轮叶片和涡轮导向 叶片，另外一部分用来冷却和密封涡轮盘。涡轮盘腔 if 以分为两类:静子一 转子系 统和转子一 转子系统。 如图t 一1 ( a ) 所示的 静子一 转子 系统中， 从中 心流入盘腔的空 气冷却涡轮盘后，从静子一 转子系统密封处流出，起到了防止主流燃气入侵盘腔的 作用。涡轮设计人员需要计算出涡轮盘的温 度来估计盘的 应力分布和寿命， 还需 要知道防止燃气入侵的空气量和冷却的效果、空气的摩擦阻力 和压力分布。 在许 多应用中， 冷却空 气通过静止机匣上的预旋喷嘴来冷却叶 片。喷 嘴使空气沿着盘 的旋转方向 旋转来降 低相对于叶片的 冷却空气的温度。设计人员需要知道预旋气 第一童 绪论 体的效果及其对轮缘密封的影响。在预旋喷嘴的出! 还存在预旋空气和盘腔冷却 空气i r 合的问题。如图1 一1 ( b ) 所示转子一转子系统中，两同速旋转的涡轮盘之间 从中心进气并从密封冠的孔中流出冷却空气系统。设计者同样需要知道换热率、 摩擦阻力和压力分布。 涡轮叶片 去 详 叶片空气 盘腔 辞止机匣 搜 转 盘 冷却空气 ( a ) i iy 1 轮盘和i1 1 i : 机匣间的冷却空气( h ) 旋转涡轮盘间的冷却空气 图卜 1涡轮盘腔空气系统示意图 妇. 2 国外研究概述 妇 . 2 . 1 自由 转盘 所谓自匡 ! 转盘就是在广大空间内旋转的轮盘。 转盘依靠粘性带动靠近壁面的 / 毛 体，1成边界层。由 i . 离心力的作用，边界层的2 1 体不断地沿径向向外流动， 而圆盘中心的气体由上往下不断进行补充，这被称为自山转盘的泵效应( p u m p e ff e c t ) . 自山 转盘是研究各类旋转盘腔流动与 换热的基础， 己 经成为 经典课题， 并 且也是检验数值 计算的最好标准。 1 9 2 1 年玛 一 卜 门 ( v o n k a r m e n ) 使用边界 层方 程研究自 山 转盘上 的层流流动， 他认为转盘附近的流场是定常的、轴对称的，从而连续方程 、动量方程组得以简 化， 并引 入无最 纲量 将方程组化为 常微分方 程组， 1 9 2 1 年解出了 近似解。 1 9 3 4 年， 柯奇 兰 ( c o c h r a n , w j ) 111解出 常 微分 方 程组 的 积 分 解， 结果 认为 ， 当 圆 盘 在 流 体中 旋 转时，在圆盘的两侧各形成一个边界层，在边界层内部，切向速度由盘面的co r 变 化到 自由空阳 j 的零。离心力的作用使边界层内的流体径向流出，新鲜流体沿轴向 入 流。 g r e g o r y . s ta u r t12 翎双 丝 探针 ， 皮 托 管 测 量 直 径 3 0 5 m m的 有 机 玻 璃圆 盘 边 第一童 绪论 体的效果及其对轮缘密封的影响。在预旋喷嘴的出! 还存在预旋空气和盘腔冷却 空气i r 合的问题。如图1 一1 ( b ) 所示转子一转子系统中，两同速旋转的涡轮盘之间 从中心进气并从密封冠的孔中流出冷却空气系统。设计者同样需要知道换热率、 摩擦阻力和压力分布。 涡轮叶片 去 详 叶片空气 盘腔 辞止机匣 搜 转 盘 冷却空气 ( a ) i iy 1 轮盘和i1 1 i : 机匣间的冷却空气( h ) 旋转涡轮盘间的冷却空气 图卜 1涡轮盘腔空气系统示意图 妇. 2 国外研究概述 妇 . 2 . 1 自由 转盘 所谓自匡 ! 转盘就是在广大空间内旋转的轮盘。 转盘依靠粘性带动靠近壁面的 / 毛 体，1成边界层。由 i . 离心力的作用，边界层的2 1 体不断地沿径向向外流动， 而圆盘中心的气体由上往下不断进行补充，这被称为自山转盘的泵效应( p u m p e ff e c t ) . 自山 转盘是研究各类旋转盘腔流动与 换热的基础， 己 经成为 经典课题， 并 且也是检验数值 计算的最好标准。 1 9 2 1 年玛 一 卜 门 ( v o n k a r m e n ) 使用边界 层方 程研究自 山 转盘上 的层流流动， 他认为转盘附近的流场是定常的、轴对称的，从而连续方程 、动量方程组得以简 化， 并引 入无最 纲量 将方程组化为 常微分方 程组， 1 9 2 1 年解出了 近似解。 1 9 3 4 年， 柯奇 兰 ( c o c h r a n , w j ) 111解出 常 微分 方 程组 的 积 分 解， 结果 认为 ， 当 圆 盘 在 流 体中 旋 转时，在圆盘的两侧各形成一个边界层，在边界层内部，切向速度由盘面的co r 变 化到 自由空阳 j 的零。离心力的作用使边界层内的流体径向流出，新鲜流体沿轴向 入 流。 g r e g o r y . s ta u r t12 翎双 丝 探针 ， 皮 托 管 测 量 直 径 3 0 5 m m的 有 机 玻 璃圆 盘 边 第一童 绪论 体的效果及其对轮缘密封的影响。在预旋喷嘴的出! 还存在预旋空气和盘腔冷却 空气i r 合的问题。如图1 一1 ( b ) 所示转子一转子系统中，两同速旋转的涡轮盘之间 从中心进气并从密封冠的孔中流出冷却空气系统。设计者同样需要知道换热率、 摩擦阻力和压力分布。 涡轮叶片 去 详 叶片空气 盘腔 辞止机匣 搜 转 盘 冷却空气 ( a ) i iy 1 轮盘和i1 1 i : 机匣间的冷却空气( h ) 旋转涡轮盘间的冷却空气 图卜 1涡轮盘腔空气系统示意图 妇. 2 国外研究概述 妇 . 2 . 1 自由 转盘 所谓自匡 ! 转盘就是在广大空间内旋转的轮盘。 转盘依靠粘性带动靠近壁面的 / 毛 体，1成边界层。由 i . 离心力的作用，边界层的2 1 体不断地沿径向向外流动， 而圆盘中心的气体由上往下不断进行补充，这被称为自山转盘的泵效应( p u m p e ff e c t ) . 自山 转盘是研究各类旋转盘腔流动与 换热的基础， 己 经成为 经典课题， 并 且也是检验数值 计算的最好标准。 1 9 2 1 年玛 一 卜 门 ( v o n k a r m e n ) 使用边界 层方 程研究自 山 转盘上 的层流流动， 他认为转盘附近的流场是定常的、轴对称的，从而连续方程 、动量方程组得以简 化， 并引 入无最 纲量 将方程组化为 常微分方 程组， 1 9 2 1 年解出了 近似解。 1 9 3 4 年， 柯奇 兰 ( c o c h r a n , w j ) 111解出 常 微分 方 程组 的 积 分 解， 结果 认为 ， 当 圆 盘 在 流 体中 旋 转时，在圆盘的两侧各形成一个边界层，在边界层内部，切向速度由盘面的co r 变 化到 自由空阳 j 的零。离心力的作用使边界层内的流体径向流出，新鲜流体沿轴向 入 流。 g r e g o r y . s ta u r t12 翎双 丝 探针 ， 皮 托 管 测 量 直 径 3 0 5 m m的 有 机 玻 璃圆 盘 边 西北 ! 业人笋倾 卜 学位论义 界层的压力场、温度场，得到与理论结果 一 致的实验结果。 自由 盘腔的 边界 层中， 流体可能是层流也可能是湍流， 扳 变的条 件就是局部 旋 转 雷诺 数 ( x r e y = o r / y ) 超 过 某 一 个 临 界 值。 当 局部 旋 转 雷诺 数护r e ， 较 小时 ， 流 动 为 层 流 流动 ; 当 它增 大 到 一 定 数值 时 ， 流 动 变 得不 稳定 ; 当 x r e ， 增 大 到 一 定 的数 值时，流动变为完全的湍流流动。早期 对于自 由转盘表面的湍流 边界层的数 值研究，是依赖于对边界层动量积分的求解，由于湍流流动非常复杂，没有速度 分 布 的 准 确表 达 式， 所以目 前 尚 无 精 确的 数 值 解。 d o r f rn a n ( 1 9 6 3 ) j3 通 过 求 解 动 量 积分方程获得了 旋转雷诺数在1 少 - - 1 护范围内的摩擦力矩系数关系式; c e b e c i 和 a b b o tt ( 1 9 7 5 尸在 令o p / o r = 0 的 条 件下 得 出了 动 量 积 分 的 数 值 解， 其 结果与e r ia n 和t o n g ( 1 9 7 1 ) 1 !的 实 验 结 果 较 符合 。 1 . 2 . 2 旋转盘腔 1 . 2 . 2 . 1 转一 静系 盘腔系统 不同于自由转盘，当圆盘在有限腔体内旋转，腔体完全封闭，腔内只有有限 的流体受到影响，这就构成了封闭的旋转盘腔系统。对于封闭的转子盘一 静子盘系 统，s c h u l t z - g r u n o w 6 1最早对其层流湍流状态的等温流动进行了 理论和实验研究， d a ily 和n e c e ( 1 9 6 0 ) 17 1将 转 一 静 系 盘 腔 内 流 动 分 为 四 种 类 型 : 1 .静 子 边 的 边 界 层 与 转 子边的边界层相五汇合的 层流 ( 无旋转核的 层流) : 2 . 静子边的边界层与 转子边的边 界层不相互汇合的 层流 有旋转核的层流) ; 3 . 静子边的边界层与转子边的边界层相 互汇合的湍流( 无旋转核的层流) : 4 .静子边的 边界 层与转子 边的 边界层不相互汇合 的湍流( 有旋转核的层流) 。 轴向间隙 足够大时， 静 子与 转子将形 成两个独立的边界 层，在静子附 近流体向 外流动， 轴向穿过圆柱环罩然后再沿静子表面向里流动。 随着间隙的 减小，两个边界 层开 始汇合，间隙再减小，出 现库塔流动。 在数值计 算方 面， c h e w 和v a u g h a n ( 1 9 8 8 ) 1 !用 混 合 长 度 模 型 对 封 闭 盘 腔 内 的 流 动 进 行 计 算， 其结 果与d a il y 和n e c e l7 的 实 验 结 果 相 符。 d a ily 9 1等 利 用改 进了 的d a il， 和n e c e 17 的 实 验装 置 研究了 叠 加 有 径i句 进出 流 的 转 子 一 静 子 盘 腔 流 场 。 s a m b o ( 19 8 5 ) 10 1用 数 值 方 法 直 接 求 解 层 流 的n -s 方 程， 计 算了旋转雷诺数、轴向间隙系数、流量系数、盘腔i司隙系数及密封冠型式对流动 的影响， 并将计算得到的切向 速度与 有关的实验结果 进行对比，符合性较好。在 层流流动和换热进行研究的基础上，c h e w 先后用高雷诺数k 一 和混合长度湍流 模型对径向出流的无密封冠静子一 转子腔内流动进行了数值计算。其结果表明，对 西北 ! 业人笋倾 卜 学位论义 界层的压力场、温度场，得到与理论结果 一 致的实验结果。 自由 盘腔的 边界 层中， 流体可能是层流也可能是湍流， 扳 变的条 件就是局部 旋 转 雷诺 数 ( x r e y = o r / y ) 超 过 某 一 个 临 界 值。 当 局部 旋 转 雷诺 数护r e ， 较 小时 ， 流 动 为 层 流 流动 ; 当 它增 大 到 一 定 数值 时 ， 流 动 变 得不 稳定 ; 当 x r e ， 增 大 到 一 定 的数 值时，流动变为完全的湍流流动。早期 对于自 由转盘表面的湍流 边界层的数 值研究，是依赖于对边界层动量积分的求解，由于湍流流动非常复杂，没有速度 分 布 的 准 确表 达 式， 所以目 前 尚 无 精 确的 数 值 解。 d o r f rn a n ( 1 9 6 3 ) j3 通 过 求 解 动 量 积分方程获得了 旋转雷诺数在1 少 - - 1 护范围内的摩擦力矩系数关系式; c e b e c i 和 a b b o tt ( 1 9 7 5 尸在 令o p / o r = 0 的 条 件下 得 出了 动 量 积 分 的 数 值 解， 其 结果与e r ia n 和t o n g ( 1 9 7 1 ) 1 !的 实 验 结 果 较 符合 。 1 . 2 . 2 旋转盘腔 1 . 2 . 2 . 1 转一 静系 盘腔系统 不同于自由转盘，当圆盘在有限腔体内旋转，腔体完全封闭，腔内只有有限 的流体受到影响，这就构成了封闭的旋转盘腔系统。对于封闭的转子盘一 静子盘系 统，s c h u l t z - g r u n o w 6 1最早对其层流湍流状态的等温流动进行了 理论和实验研究， d a ily 和n e c e ( 1 9 6 0 ) 17 1将 转 一 静 系 盘 腔 内 流 动 分 为 四 种 类 型 : 1 .静 子 边 的 边 界 层 与 转 子边的边界层相五汇合的 层流 ( 无旋转核的 层流) : 2 . 静子边的边界层与 转子边的边 界层不相互汇合的 层流 有旋转核的层流) ; 3 . 静子边的边界层与转子边的边界层相 互汇合的湍流( 无旋转核的层流) : 4 .静子边的 边界 层与转子 边的 边界层不相互汇合 的湍流( 有旋转核的层流) 。 轴向间隙 足够大时， 静 子与 转子将形 成两个独立的边界 层，在静子附 近流体向 外流动， 轴向穿过圆柱环罩然后再沿静子表面向里流动。 随着间隙的 减小，两个边界 层开 始汇合，间隙再减小，出 现库塔流动。 在数值计 算方 面， c h e w 和v a u g h a n ( 1 9 8 8 ) 1 !用 混 合 长 度 模 型 对 封 闭 盘 腔 内 的 流 动 进 行 计 算， 其结 果与d a il y 和n e c e l7 的 实 验 结 果 相 符。 d a ily 9 1等 利 用改 进了 的d a il， 和n e c e 17 的 实 验装 置 研究了 叠 加 有 径i句 进出 流 的 转 子 一 静 子 盘 腔 流 场 。 s a m b o ( 19 8 5 ) 10 1用 数 值 方 法 直 接 求 解 层 流 的n -s 方 程， 计 算了旋转雷诺数、轴向间隙系数、流量系数、盘腔i司隙系数及密封冠型式对流动 的影响， 并将计算得到的切向 速度与 有关的实验结果 进行对比，符合性较好。在 层流流动和换热进行研究的基础上，c h e w 先后用高雷诺数k 一 和混合长度湍流 模型对径向出流的无密封冠静子一 转子腔内流动进行了数值计算。其结果表明，对 第章 绪论 该 系 统 混 合 长 度模 型 较 高 雷 诺 数* 一 : 更 好 。 c h e w 不 日 v a u g h a n ( 1 9 8 8 ) 1 1用 恨 合 长 度 模型对转子一 静 子腔f lj 的计算结果也表明， 混 和长 度模型计算盘腔内 的湍流流动在 工 程 设计 中 己 足够 准 确o l a p w o r th 和c h e w ( 1 9 9 0 ) u z l用 混 合 长 度 模 型 数 值 求 解 平 均 雷诺数的 n - s方程， 得出 盘腔几何形 状对盘腔内流动和换热的影响， 且计 算结果 的趋势与实验十分吻合，并指出了温 度场的边界条 件比盘的结构对努赛尔特数的 影响史大。 ; 1 . 2 . 2 . 2 转一 转系 盘腔系统 1 9 6 8 年h id e l 3 利 用 照片首 先证 明 对于 有 出 流 的 层流 流 动 ， 流 动可 以 分 为 四 种类型的区域， 同样对于 入流流动也有相同的结构。 进一步研究也表明湍流流动( 入 流和出流) 也有这样的结构。这四个区域包括:源区、埃克曼边界层、 汇区、 核心 区。 带有径向出流的 旋转盘腔可以 分为两 种 12 1 : 径向 入流和轴向 入流。 径向 入流 的旋转盘腔 在某个半 径入口 处沿径向 进入的气流， 在入口 段首 先形成源区， 然后 从源区把气流均分给在旋转壁而形成的埃克曼边界层，在埃克曼边界层之i l j ,源 区之后会形成的 一 个旋转的核心区，埃克曼边界层内的气体重新汇合到汇区内， 通过径向出! 一 流出。 轴向 入流的旋转盘腔， 其 基本流体结构与径向 入流完全相同， 所不同的就是由 1 - 进气位置不同，造成轴向入流源区不对称。 在许多情况下，粘性或者湍流的效果都发生在边界层这些薄层内。而在核心 区y . , 属一 于比 籽 ! 性区域， 丰 占 性和湍流i i1 一 以忽略不计， 而且可以认为是绝热的。 o w e n 和r o g e r s 14 1发 现 u ,:区 的 角 动 量守 恒， 并 且 如 果 来 流 旋转比 转 盘 快 ( ,6 1 ) ， 在 边 界 层中就会有径向 入流发生:如果来流旋转比 转盘慢( p i 首先得到了关 立 洋流的边界层方程， 于是就把由 于旋转引 起的 边界层 流 动 称为 埃克 曼 边界 层。 o w e n 和p in c o m b e 等 人 ( 1 9 8 5 ) 1 16 1通 过 研 究 简 单 形 状的 源 汇 ( s o u r c e - s i n k ) 流动的 转转系盘腔， 通过求解埃克 曼边界 层的 积分 方程， 得到了 在层 流和湍流状态下关于核心区的切向速度分布，并推导出了源区的大小。不过，他 们得到的结果足线性理论的结果。考虑非线性n 7 素，在边界层方程中加入非线性 项， o w e n 和p in c o m b e 1 16 1得到了 非 线 性 理 论 的 结 果， 包 括 源 区的 大 小 、 流 量的 计 算和核心区切向 速度的分 布等， 最终由 于非线性项的自 我抵消作用， 线性解同非 线性解的差别并不大。o w e n 和 p i n c o m b e 在他们的实验中证实了这一点。 西北 . .: 9 . o : 曰r. i :! i 仑k 最1 0 . 涉及到绕流 % ! i i . r 11 二 体 稠% a k l : 体 的数fi i i i 1;, i - 足k o o s i n l i n 和s h a r m a 1 i 7 1 利 用混合长度模7 4 1 进行的。 他们修i i 一 了v a n d r i e s t i i l 1 e 系数，j h i 1 . 6 l : r合长度模型中 力 i 入了j ai ! r i c h a r c l s o n数11篆 正以考虑; 丫 曲旋流的形iiii i1 。这，i l 修i i : 使得邻近旋转表 而的流动顶测令人满泣，) 山 此得出:川一 顶 测近a . . 旋流的湍流模9 4 7 的发展可能 需l: , v ) f 弃t l 效v i 性i i 1 14 1 念，i , 时i f荐使川能够解1 1 1 l i v 0 h l 1 分 i ii lj iia 流模! 4 ! . c h e w , o wl : 和 p i n c o m b e ( 1 9 8 .1 ) 1 1 8 1 通过求解i - s 方程数值i 1 了 ? 一有 径向出 流 的 转r 一 转1 0 空 i勺 的 )， : 流 流 动， 几 ， o w e n 和p in e o m b e ( 1 9 8 8 ) i19 1 的 实 验 结 果 进 行 了 l l 较， y 1 米i 分 i i) 合 . isifi 石 仆 己 了 ; 长 i;c ir j 流 模tlil a ; 处 f ill. 盘 11) 流功的小i, d 流 功类4 a i ( j 生 k 模) ; ! 1 i 法包括a个 i x a , ,k ,即充个; ,6 i 流核心ia 4 11 t 1 ,， 性 ， : 优的近雌ix . o川于l , 流输运l 1 ) 高, i 1, 诺数摸n ,如k 一 、 模型 i i_ 阶代数应力模, f 1 a s m来处理完个湍流核心i x : ,在近j i t i ( i l ix . i ，使川简 i ( i. 的低宙 诺数模型，如 k o o s i n l i n 州” 的混合长 度 、莫 烈。 结果表明，在预测旋 转盘腔流动时.近壁区的湍 流 模型 是ii 常币 要 1y j la c o c id e s 和t h e o la n o p o u lo s i 1i 认 为 在 这 样 的 流 动 i t， 使 i ll 壁曲函数近似足不恰九的， a l 要6近壁p i 性底层， ， 使川 比 ， 诺数模型。然l i u 他们 所尝试的上 述两种7 1 e 介长 度模型 均末 能对所!1 v i ll 的算例 给出满泣 的结果。 l a c o v id e s (2 1 的 低 雷诺 数k 一 、 模型 ， 在 许多 ，tlj 说卜 州 ; 难 以 .if n= 预 测 较大 的 层 流 化 i x : k 。 尽竹k i l i c l = = 的研究表明 低雷诺数k 一 ko n i不 适川 j 转li j ! c h1 i 1 i 反的转 盘流动， 仁 足m o :s 少? i 1 2 4 1 wi通过引入阴加a 1) ( 和 a s r : l ll l 川 ， 离相关 函数， 还是成功地将 低雷诺数k - s 模i i,j i 司 到各种旋转流动的计了 川 ， 。 互 1 . 2 . 2 . 3 带有预旋的盘腔系统 随着对转一ii i i 系 统的进 一 步 深入研究， 带有预 旋喷嘴的 转一1i f 系统得到了 ) 泛的研究。( i 这种盘腔 ! ， ，i i i 片冷却空2 仁 足通过静i i g t l9 预旋喷嘴流入盘胜的。这 些喷嘴在入! 处使流体沿lia 的旋转方向流动，这样就i l l 以降低冷产 相对 j . 叶片的 温度。研究人员ob i 要知巡这种f i ! 旋系统的效果如 . 叮 和它如何,; ty n 16 1 边缘密封，并且 能够v i i 日i ; 旋空 l 。 冷却 n 胜空 l 的f l (. 合程度或p 是 “ 污染”程度。 图 i 一2所 i 为通常使川的带有烦旋的转一铮盘岭系统。八 全 i- 1 ( a ) ) 丙谓的i i. 按 第 一 令 绪论 传递系统 ( d i r e c t - t r a n s f e r s y s t e m ) 中，预 旋空 气通过在较高径向 位置的预旋孔 进入 盘腔， 在腔体中和由中心 进气的盘腔冷却空 气混合，从出口 流出 冷却叶片。图 ( b ) 所示为盖板系统( c o v e r p l a t e s y s t e m ) ，在较低径向位置的预旋孔流入的 预旋气体， 不仅起到了冷却转盘的作用，同时还要防止盖板处的燃气入侵，并从出日流出冷 却! 1 片。 气 月下， 、外 邵 们 冠 一 一 冷却 a l 甘空气 曰日日曰曰 il-hr、 冷 j ill, 1 t 0i 气翻 盘 内 a l : w u o ft 系 内 .4;月 严 脸转空 份内t5 i i 于 尸 寸 旋转空腔 一 一 ki l l c u i i ; ; n 旋 转 1 肪 妇 l n )o d 图1 -2 预旋系 统简图 m e ie r h o fe r 和f r a n k lin ( 1 9 8 1 ) izb !研 究了 冷 却 空 气 带 有 预 旋 的涡 轮盘 腔的 性 能 ， 测量了在真实模型中的冷却空气的温度。研究发现:1 . 在盘腔1一 卜 ， 使用预旋空气供 2 可以 使得转子叶片的冷却空气温度有显 著的 下降。 2 . 顶旋气体的进口 位置 放在 尽 可能 大的 径 向 位 背 的 作 用并 不 十分 明 显 。 e i- o u n 和o w e n ( 1 9 8 9 ) iz ; 通 过 理论 和实 验的方法研究了在静盘上带有预旋喷嘴的直接传递系统。研究结果表明 l . 随着预 旋比 的增人， 相对于叶片的冷气温度有所降低: 2 . 盘 腔冷却空气和预旋空气的混合 削 弱了 在 预 旋 进 和 叶 片 冷 却 孔 的 温 度 差 别。 w i ls o n ( 1 9 9 7 ) 121 1等 人 研 究了 直 接 传 递的预旋转.jf r 系盘胜，i 1 p求解低雷诺数k 一 模型的轴对称椭圆方程。结果表明 转一静系的中 a 1 1 1 i w 1 i j i t 度和速度符合地很好， 但是计算的努赛尔特数低于测量的值。 h . k a r a b a y ( 1 9 9 9 ) iz0 i等 人研究了 带有 盖板的 预 旋进 气转静系 统. 计算 采用求 解 l a u n d e r - s h a r m a低宙诺 数k 一 。 模型的轴对称椭圆方程，使用激光多普勒测速仪 ( l a s e r d o p p l e r a n e m o m e t e r ) 测量 速度。 研究结 果表明 在盖板系统中的流动与 有径向 出 流 的 旋 转 盘 腔的 流 动 类似 。 h . k a r a b a y (2 0 0 0 ) 13 01 等 人 研究 了 带 有 预 旋 的 旋 转 盘 腔 的流动和换热问题，研究表明包括努赛尔特数的计算结果同雷诺相似分析方法得 到的结果符合得很好， 存在一个临界的 预旋比使得摩擦力矩系数为零，并且存在 一个最住预旋比使得平 均努赛尔特数达到最小。 西北t .业大学硕 卜 学位论文 妇 . 2 . 2 . 4 转向相反的盘腔系统 1 9 9 5 年g a n , k i l i c 和o w e n 13 1 利用激光多 普勒测速仪对两个反向同 速转盘间 的层流流动进行了理论和实验研究，并用低雷诺数k 一 二 模型对该盘腔中的湍流流 动进行数值计算，结果表明:在入日流量数和旋转雷诺数的大部分范围内，数值 计算结果与实验结果 ! 一 分吻合。他们又对反向不同速的转子一 转子腔内的湍流流动 进行了数值计算， 结果令人满意。 这使得对反向的转子一 转子系统的研究趋于完善， 并更接近于实际。1 9 9 7 年他们又对同速反向旋转的转子， 转子腔内的换热进行了理 论和实验研究，结果表明在大范围的进口无量纲流量和旋转雷诺数内，数值计算 结果与实验结果 分吻合。 1 . 3 国内研究概述 我国关于涡轮盘腔内流动和传热的研究是从上个世纪九 卜 年代开始的。北京 航空航天 大学许国强13 2 1 13 3 1 、 陈健3 4 1 、丁水汀、 陶智13 5 1 (3 6 1 1 3 1 1 1 3 8 等做了 许多半 模拟 性基础研究，主要有中心进气、高位垂直进气 、高位预旋进气、外缘轴向进气、 外缘预旋进气的动一静旋转空腔模型，主要研究了旋转雷诺数、冷气雷诺数、葛 拉晓夫数、if u l 隙比对上盘局部换热、流阻特性以及主盘平均换热系数特性的影响， 并与数值计算的 结果 进行比 较。研究结论对于设计涡轮减少冷气量、防止燃气入 侵、阻止主流热量向涡轮盘纵深传递有一定指导意义。2 0 0 2 年何亚军 1 3 9 ! 等 还开展 了双盘同向旋转的实验研究，结果表明某 1 盘的转速的变化只对木身的换热有一 定的影响，对另一盘的换热基本没有影响。 南京航天航空大学吉洪湖14 0 1 、 张靖周14 1 1 等以 水为介质对封闭 转盘一 静盘系统 的流动特性进行了实验研究，他们还用数值模拟的方法研究了旋转盘腔中的流动 和换热， 并将实验和数值计算结果 与国外的结果作比较。 实验中采用了先进的l d a 方法，结果表明旋转盘腔流场主要取决于局部雷诺数，转盘和静盘边界层中_次 流传输的结果使得两盘 1 . 的边界层表现出不同的特性。 西北工 业大 学较早的开展了 旋转盘腔的研究， 冯青 1 4 2 1 、 周彬1 4 3 等用数 值计算 的方法模拟了转子一静子盘腔内的流动和换热，结果表明盘腔内层流流场主要受 入口流量数、盘肿间隙系数、密封间隙系数和入! 孔径比的影响，在盘腔内部存 在 “ 刚性核” ，在 “ 刚性核”内温度沿轴向变化不大，热量基本上沿径向传递。近 年 来， 白 洛林1 4 4 1冯青14 5 1 还开展了 复杂盘腔系统内 的流动和换热实验和计算研究， 着重研究了预旋的影响，给出了 扭矩系数和压力系数随旋转雷诺数变化的 关系式， 西北t .业大学硕 卜 学位论文 妇 . 2 . 2 . 4 转向相反的盘腔系统 1 9 9 5 年g a n , k i l i c 和o w e n 13 1 利用激光多 普勒测速仪对两个反向同 速转盘间 的层流流动进行了理论和实验研究，并用低雷诺数k 一 二 模型对该盘腔中的湍流流 动进行数值计算，结果表明:在入日流量数和旋转雷诺数的大部分范围内，数值 计算结果与实验结果 ! 一 分吻合。他们又对反向不同速的转子一 转子腔内的湍流流动 进行了数值计算， 结果令人满意。 这使得对反向的转子一 转子系统的研究趋于完善， 并更接近于实际。1 9 9 7 年他们又对同速反向旋