径向入流对转涡轮盘腔内部流动和风阻温升特性研究

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本文以对转涡轮盘腔为对象,对内部流动特性和风阻温升效应进行了深入研究,使用理论分析、数值模拟以及试验研究相结合的方法,重点研究了对转盘腔气动参数对其内部流动温变特性的作用机理。基于理论分析,确定了无量纲质量流量、旋转雷诺数、流阻系数作为对转涡轮盘腔内流动特性和风阻温升特性的关键的无量纲相似参数,其相较于传统相似准则(湍流参数),模拟精度较高,约为3%。使用数值仿真方法,研究了典型工况下对转涡轮盘腔内部流动温变机理,并阐述了气动参数对其流动温变特性的影响规律。研究结果表明,旋转壁的绝热滞止温度主要受边界层中流体与旋转壁之间速度梯度的影响,速度梯度越大,绝热停滞温度越高;旋转壁的扭矩系数主要粘滞摩擦做功影响,做功量越大,扭矩系数越大。在8079r/min的典型工作条件下,转台的最大总温升约为38K,扭矩约为9.2N·m。当两个转盘的边界层完全分离时,转盘壁面的旋转效应占据主导地位,转盘的总温度随流量和普朗特数的增大而减小,而转矩系数变化规律则恰恰相反,转盘总温升量和扭矩数均随着旋转雷诺数的增大而增大。针对真实发动机内部复杂模型的数值仿真数据表明,对转盘腔内增设隔板可加剧功热转换效应;在保证三个关键的无量纲相似参数相等的情况下,发动机工况和实验室工况有较好的模拟精度。设计并搭建了对转涡轮盘腔旋转试验台,完成了设备选型及对转盘腔试验工作。试验数据表明:针对大间隙、低转速的对转盘腔,在压力特性方面,压降损失主要受流量影响,流量越大,压损越大;转速越高,压损越高;在温升特性方面,气流温度随着径向位置的增大而增大;转速越高,温度越高;流量越大,温升越小。依托对转试验台试验段物理模型1:1建立了数值计算模型对前文使用的数值计算方法进行验证,结果表明,本文使用的数值仿真方法在流动、温升特性方面均具有较好的吻合精度,其压力误差在3%,温度误差在试验误差范围内。
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