CN110608815A - 一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法，根据旋转盘腔中气流相对总温与绝对总温T^*及气流旋转比β之间的数学关系式来间接获得相对总温回避了在转盘上安装总温探针直接测量气流相对总温的技术困难。相较于传统的直接在转子上安装热电偶测量气流相对总温的方法而言，在静止的实验件上布置并固定温度、压力测点相对简单，技术难度和实验成本大大降低。此外，这种测量方法避免了转盘上测量得到的参数信号传输出来的技术要求，大大提高了实验的可靠性。运用CFD对本方法进行验证，数值计算结果表明，采用本方法得到的气流相对总温与实际相对总温的偏差在1％以内，本方法的准确性很高。

Description

一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法

技术领域

本发明属于航空发动机旋转盘腔中应用领域，涉及一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法。

背景技术

目前，在当代航空发动机中推重比的提高以及耗油率的降低意味着需要相应提升涡轮进口前燃气温度。现代航空发动机涡轮前温度已经高达2000K，远大于发动机金属材料的耐温上限，单纯的提高金属材料的耐温极限已经难以满足发动机性能的提升。从压气机的某些部位抽取一定量的冷空气用于涡轮的冷却是常规且必须的手段。

高压压气机盘腔内流动是具有轴向通流和径向通流的多旋转盘腔复杂流动。压气机旋转盘腔是航空发动机中冷却空气所经流路的主要部分，对压气机部件以及航空发动机的整机的稳定运行具有重要的影响。压气机盘腔中的流动换热是人们较早关注的问题之一。这主要由于转盘的温度分布及其热应力大小是决定压气机寿命的关键；压气机转子叶片叶顶间隙和叶根的级间封严间隙的变化也与转盘温度分布有关。转盘壁温主要取决于旋转盘腔中的流动换热条件，而转动壁面感受到的换热温度是气流的相对总温。故能够准确地测量得到旋转盘腔中气流的相对总温分布，对于航空发动机的设计有着重大意义。

目前，测量旋转盘腔中气流相对总温的方法主要是在转盘上安装热电偶，在实验过程中热电偶随着转盘一同转动。此时热电偶测得的气流温度即为气流的相对总温。这种方法要求在高速转动的转盘上固定热电偶。但是在高转速情况下，转动产生较大离心力；同时转子对气流做功剧烈，旋转盘腔中会产生较高的风阻热。故很难保证转盘在高速运转时热电偶能一直固定。同时，热电偶采集到的电势信号在传递过程中容易受到干扰。上述方法并不能在实验中准确可靠地获得气流的相对总温，需要一种新的测量方法得到旋转盘腔中气流的相对总温。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法，在静盘上安装总温探针测量气流绝对总温和安装皮托管测量气流旋转比来间接获得旋转盘腔中气流相对总温的方法。

技术方案

一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在旋转盘腔静子壁面某一半径r位置处安装总温探针，得到气流在该半径位置处的绝对总温T^*；

步骤2：在旋转盘腔静子壁面与绝对总温测点对应的同一半径处的另一周向位置处安装皮托管，利用皮托管测量得到气流周向总压P^*和静压P，计算得到该半径位置处的气流旋转比β：

式中：是气流周向速度，P^*是气流周向总压，P是气流静压，ω是转子角速度；

步骤3：计算出不同半径位置处气流的相对总温

式中，T^*为旋转盘腔不同半径位置气流绝对总温，β为气流旋转比，C_p为定压比热容，式中均采用国际单位制。

有益效果

本发明提出的一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法，是基于气流绝对总温和气流旋转比间接测量转静盘腔中气流相对总温的方法。根据旋转盘腔中气流相对总温与绝对总温T^*及气流旋转比β之间的数学关系式来间接获得相对总温回避了在转盘上安装总温探针直接测量气流相对总温的技术困难。相较于传统的直接在转子上安装热电偶测量气流相对总温的方法而言，在静止的实验件上布置并固定温度、压力测点相对简单，技术难度和实验成本大大降低。此外，这种测量方法避免了转盘上测量得到的参数信号传输出来的技术要求，大大提高了实验的可靠性。运用CFD对本方法进行验证，数值计算结果表明，采用本方法得到的气流相对总温与实际相对总温的偏差在1％以内，本方法的准确性很高。

附图说明

图1旋转盘腔实验台结构示意图

图2旋转盘腔流动结构示意图

图3旋转盘腔中速度分布情况

图4皮托管示意图

图中：1.转轴；2.转盘；3.静子；4.某半径位置处安装的皮托管；5.皮托管总压测点；6-1.托管静压测点；6-2皮托管静压测点；7.总压通道；8.静压通道

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1为某旋转盘腔实验台结构示意图。转子最大半径R＝200mm。在实验过程中，高速电机通过联轴器驱动转轴带动转盘转动，同时对实验台供气，气流经盘腔入口流入。由于转盘高速转动，对进入转-静盘腔中的气流做功，气流被转盘带动旋转同时产生风阻热。

在不对转盘加热的情况下，转盘的初始温度和气流初始温度相同。在转盘在某一转速下转动一定时间后，盘腔中气流流动达到稳定，此时可以开始测量旋转盘腔中气流的旋转比和绝热总温。

图2为转速9000rpm时，图1所示的旋转盘腔中气流的流场图。从图中可以看出，气流进入盘腔后，由于转子壁面对气流的吸引，在整个盘腔中的中部形成了一个较大的旋涡，称为核心区。在核心区中，气流主要沿周向方向流动，气流周向速度很大。

图3展示了转速9000rpm时旋转盘腔半径R＝100mm处气流无量纲周向速度、无量纲径向速度和无量纲轴向速度的沿盘腔轴向方向的分布情况。从图中可以看出，在盘腔中心处，气流的径向速度和轴向速度几乎为零。在盘腔中心处，气流只沿周向流动且气流周向速度基本保持不变，旋转比不变。故选择在此处测量不同径向位置的旋转比。在实验中，通过在不同径向位置对应的盘腔中心处布置旋流测点并安装皮托管来获得气流的总压和静压。

图4为皮托管结构示意图，其中5位置对准气流周向方向，为总压测点。6-1,6-2位置为静压测点，其中6-1为径向静压测点，6-2为轴向静压测点。7位置引出总压管接差压式扫描阀总压通道测量压力，8位置引出静压管接差压式扫描阀静压通道测量压力。测量出差压后根据伯努利方程计算出气流周向速度。其中静压测点布置四个方向，可以根据实际情况灵活选取，选取的原则为该静压孔所在方向上气流分速度最小。

实验中，可通过激光测速仪测量得到转盘线速度。不同半径处气流的周向速度与转盘线速度的比值即为旋转比。

步骤1：在转-静盘腔的静盘某一半径位置(与旋流测点位置对应)安装带有K型热电偶的总温探针，将探针对准周向气流方向，获得该半径位置处气流的绝对总温T^*；

步骤2：在旋转盘腔静子壁面与绝对总温测点对应的同一半径处的另一周向位置处安装皮托管，利用皮托管测量得到气流周向总压P^*和静压P，计算得到该半径位置处的气流旋转比β：

式中：是气流周向速度，P^*是气流周向总压，P是气流静压，ω是转子角速度；

步骤3：计算出不同半径位置处气流的相对总温

式中，T^*为旋转盘腔不同半径位置气流绝对总温，β为气流旋转比，C_p为定压比热容，式中均采用国际单位制。

在实验中通过上述方法可获得转盘转速、气流旋转比以及气流绝对温度。结合式(3)即可得到实验过程任意工况下的某一半径位置的气流相对总温。

运用CFD对上述实施过程进行了验证，选取了转-静盘腔中10个半径位置进行了对比验证。表1展示了采用此测量方法计算得到气流相对总温与CFD计算结果的对比。从表中可以看出，采用式(3)得到的相对总温与CFD计算得到的结果绝对偏差小于1，相对偏差在1％以内

表1实施例1相对总温公式与数值计算对比

Claims (1)

1.一种旋转盘腔中气流相对总温的测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在旋转盘腔静子壁面某一半径r位置处安装总温探针，得到气流在该半径位置处的绝对总温T^*；

步骤2：在旋转盘腔静子壁面与绝对总温测点对应的同一半径处的另一周向位置处安装皮托管，利用皮托管测量得到气流周向总压P^*和静压P，计算得到该半径位置处的气流旋转比β：

式中：是气流周向速度，P^*是气流周向总压，P是气流静压，ω是转子角速度；

步骤3：计算出不同半径位置处气流的相对总温

式中，T^*为旋转盘腔不同半径位置气流绝对总温，β为气流旋转比，C_p为定压比热容，式中均采用国际单位制。