CN113250754B - 一种对转盘腔流动结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机冷却技术领域，旨在解决现有技术中的两种流动结构对于旋转盘壁面的冷却效果不佳的问题，提供一种对转盘腔流动结构，包括大小相同的上游盘和下游盘，上游盘与下游盘相对设置，上游盘中央开设有进气孔，冷却气流从进气孔通入盘腔，上游盘的周向上设有外围屏，外围屏位于上游盘和下游盘之间，外围屏与下游盘之间具有出气间隙；上游盘与下游盘沿着穿过上游盘和下游盘中心的旋转轴进行旋转，上游盘与下游盘的旋转方向相反；本发明的有益效果是：采用上述对转盘腔流动结构，能够增强对上游盘和下游盘壁面冷却效果，有助于改进航空燃气涡轮发动机对转涡轮盘的冷却系统的设计，提高冷却效率，减小对冷气量的需求，提高发动机的性能。

Description

一种对转盘腔流动结构

技术领域

本发明涉及发动机冷却技术领域，具体而言，涉及一种对转盘腔流动结构。

背景技术

旋转盘腔内两种典型的流动分别为Batchelor型流动结构和Stewartson型流动结构。

Batchelor型流动结构：

图1a为同速旋转盘腔内流函数等值线图，同速旋转是指两盘转速相同，旋转方向相同。从图中可看出，在离心力作用下，在盘腔r-z面形成一对反向对流涡胞，其中r为半径方向，z为垂直盘面的方向。图1b为同速旋转盘腔内切向速度等值线图。从图中可看出，盘腔内壁面边界层之间的流体以一定的切向速度像刚体一样旋转，形成三明治结构旋转。

图2a为同速旋转盘腔内不同径向位置处的径向速度沿轴向距离的分布图。从图中可看出，在不同半径处的径向速度Vr在0.1<z/s<0.9范围内接近于0。图2b为同速旋转盘腔内不同径向位置处的切向速度沿轴向距离的分布图，其中，纵坐标为速度，横坐标为半径。从图中可看出，不同半径处的切向速度Vφ在壁面边界层之间的中心区域沿轴向几乎恒定不变(r/r₀＝0.6时，Vφ＝8.8m/s；r/r₀＝0.85时，Vφ＝11.8m/s)，且切向速度Vφ随半径的增大而增大。

因此，在盘腔中出现零径向速度旋转核心区，核心区旋转速度随半径增大而增大，即流动为Batchelor流动结构。

具体的，可参考Batchelor G K.Note on a class of solutions of theNavier-Stokes equations representing steady rotationally-symmetric flow[J].Quart.J.Mech.Appl.Math.,1951,4(1):29-41.

Stewartson型流动结构：

图3a所示为同速对转盘腔内流函数等值线图，同速对转是指两盘转速相同，旋转方向相反。从图中可看出，在离心力作用下，在盘腔r-z面形成一对反向对流涡胞。图3b所示为同速对转盘腔内盘腔内切向速度等值线图，从图中可看出，各半径处的切向速度变化较大，壁面边界层之间没有刚体状旋转结构。

图4a为同速对转盘腔内不同径向位置处的径向速度沿轴向距离的分布图。从图中可看出，随着离开壁面距离的增加，Vr在埃克曼层内由0增大到最大值后开始减小，在大约z/s＝0.2处开始反向增大，两个流动方向相反的对流涡胞的径向速度在轴向中分面上达到相同的最大负值，因此在盘腔轴向中分面上形成径向向内的无剪切流动，同时径向向内的流动占据着整个中心区域。图4b为同速对转盘腔内不同径向位置处的切向速度沿轴向距离的分布图。从图中可看出，盘1壁面边界层Vφ为正向最大，盘2壁面边界层Vφ为负向最大，在边界层以外的核心区，Vφ随着轴向距离先减小后反向增大，并且这种变化近似成线性，此流动结构为Stewartson型流动结构。

具体的，可参考Stewartson K.On the flow between two rotating coaxialdiscs[J].Proc.Camb.Phil.Soc.,1953,49(2):333-341.

但是上述两种流动结构对于旋转盘壁面的冷却效果不佳。

发明内容

本发明旨在提供一种对转盘腔流动结构，以解决现有技术中的两种流动结构对于旋转盘壁面的冷却效果不佳的问题。

本发明的实施例是这样实现的：

一种对转盘腔流动结构，包括大小相同的上游盘和下游盘，所述上游盘与所述下游盘相对设置，所述上游盘中央开设有进气孔，冷却气流从所述进气孔通入盘腔，所述上游盘的周向上设有外围屏，所述外围屏位于所述上游盘和所述下游盘之间，所述外围屏与所述下游盘之间具有出气间隙；所述上游盘与所述下游盘沿着穿过所述上游盘和所述下游盘中心的旋转轴进行旋转，所述上游盘与所述下游盘的旋转方向相反。

所述盘腔是指所述上游盘与所述下游盘之间的空间。所述盘腔内包括边界层和核心区，所述边界层为所述上游盘与所述下游盘壁面附近的区域，所述核心区为两个所述边界层之间的区域。

采用上述对转盘腔流动结构，所述上游盘与所述下游盘朝着相反的方向旋转，在所述进气孔通入冷却流体后，在盘腔内核心区不仅会形成三明治结构旋转，发生旋转即会增强冷却效果，而且核心区存在径向向内或径向向外的流体，且其径向速度在轴向呈线性分布，进一步增强了冷却效果。

综上，所述流动结构有助于增强对旋转盘壁面的冷却效果，研究结果有助于改进航空燃气涡轮发动机对转涡轮盘的冷却系统的设计，提高冷却效率，减小对冷气量的需求，从而提高发动机的性能。

上述对转盘腔流动结构，核心区具有径向速度，而Batchelor型流动结构核心区径向速度为0，因此优于Batchelor型流动结构，具有更好的冷却效果；而Stewartson型流动结构盘腔内各半径处的切向速度变化较大，但壁面边界层之间没有刚体状旋转结构，因此本发明所述的流动结构优于Stewartson型流动结构，具有更好的冷却效果。

在一种实施方式中：

所述盘腔内形成有逆时针对流涡胞和顺时针对流涡胞。

冷却气流从所述上游盘中心的进气孔，沿下游盘壁面的径向向外流动占优于上游盘壁面附近沿上游盘壁面的径向向外流动，两流动在上游盘壁面某个径向位置处(临界半径)相遇，然后流向核心区。因此在盘腔外围(大半径区域)形成了一个逆时针对流涡胞，在盘腔中心区域(小半径区域)形成了一个顺时针对流涡胞。

在一种实施方式中：

所述盘腔内核心区形成有切向速度随半径增大而减小的旋转流体。盘腔内核心区流体像刚体一样与上游盘同向旋转，旋转核心区切向速度随半径增大而减小。

在一种实施方式中：

所述盘腔内核心区在同一半径位置处的切向速度在轴向基本保持不变。

在一种实施方式中：

所述盘腔内核心区形成有径向向内或径向向外的流体，且其径向速度在轴向呈线性分布。

所述径向是指沿所述上游盘或所述下游盘的半径的方向。

在一种实施方式中：

所述上游盘与所述下游盘的外缘均保持有热流量。用于模拟发动机涡轮叶片以热传导方式对涡轮盘的加热。

在一种实施方式中：

所述上游盘与所述下游盘之间的间隙与所述上游盘的半径比值范围为：0.115-0.34。

在一种实施方式中：

所述出气间隙与所述上游盘的半径比值范围为：0.01-0.018。

在一种实施方式中：

所述进气孔的半径与所述上游盘的半径比值为0.125。

在一种实施方式中：

所述盘腔内旋转数小于或等于0.091。

所述旋转数为旋转雷诺数与进气雷诺数的比值，可以通过分别改变盘腔内的旋转雷诺数和进气雷诺数改变旋转数Rt，进而判断判断流动结构的转换，通过对对转盘腔内流动和传热的耦合三维数值模拟，发现当旋转数小于或等于0.091，就会形成本发明所述的流动结构。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.采用上述对转盘腔流动结构，所述上游盘与所述下游盘朝着相反的方向旋转，在所述进气孔通入冷却流体后，在盘腔内核心区不仅会形成三明治结构旋转，发生旋转即会增强冷却效果，而且核心区存在径向向内或径向向外的流体，且其径向速度在轴向呈线性分布，进一步增强了冷却效果。

2.所述流动结构有助于增强对旋转盘壁面的冷却效果，研究结果有助于改进航空燃气涡轮发动机对转涡轮盘的冷却系统的设计，提高冷却效率，减小对冷气量的需求，从而提高发动机的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中提及之附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1a为同速旋转盘腔内流函数等值线图。

图1b为同速旋转盘腔内切向速度等值线图。

图2a为同速旋转盘腔内不同径向位置处的径向速度沿轴向距离的分布图。

图2b为同速旋转盘腔内不同径向位置处的切向速度沿轴向距离的分布图。

图3a所示为同速对转盘腔内流函数等值线图。

图3b所示为同速对转盘腔内切向速度等值线图。

图4a为同速对转盘腔内不同径向位置处的径向速度沿轴向距离的分布图。

图4b为同速对转盘腔内不同径向位置处的切向速度沿轴向距离的分布图。

图5为本发明所述的对转盘腔流动结构的结构示意图。

图6a为Rt＝0.091中心进气径向出流对转盘腔内流体的流函数等值线图。

图6b为Rt＝0.091中心进气径向出流对转盘腔内流体的切向速度等值线图。

图7a为盘腔内流体不同径向位置处的切向速度沿轴向距离的分布图。

图7b为盘腔内流体不同径向位置处的径向速度沿轴向距离的分布图。

图8a为不同径向位置的上游盘壁面温度随旋转数的变化图。

图8b为不同径向位置的下游盘壁面温度随旋转数的变化图。

图标：1-上游盘；11-进气孔；2-下游盘；3-外围屏。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例

参见图5，本实施例提出一种对转盘腔流动结构，包括大小相同的上游盘1和下游盘2，所述上游盘1与所述下游盘2相对设置，所述上游盘1中央开设有进气孔11，冷却气流从所述进气孔11通入盘腔。所述盘腔是指所述上游盘1与所述下游盘2之间的空间。所述盘腔内包括边界层和核心区，所述边界层为所述上游盘1与所述下游盘2壁面附近的区域，所述核心区为两个所述边界层之间的区域。

所述上游盘1的周向上设有外围屏3，所述外围屏3位于所述上游盘1和所述下游盘2之间，所述外围屏3与所述下游盘2之间具有出气间隙Sc。

所述外围屏3为中空圆柱体结构，其壁面较薄，所述外围屏3的一个开口恰好连接于所述上游盘1的周向。

优选的，所述上游盘1与所述下游盘2之间的间隙S与所述上游盘1的半径r₀比值范围为：0.115-0.34。所述出气间隙Sc与所述上游盘1的半径r₀比值范围为：0.01-0.018；所述进气孔11的半径r_in与所述上游盘1的半径r₀比值为0.125。

所述上游盘1与所述下游盘2沿着穿过所述上游盘1和所述下游盘2中心的旋转轴Z进行旋转，所述上游盘1与所述下游盘2的旋转方向相反。在本实施例中，所述上游盘1沿逆时针方向转动，所述下游盘2沿顺时针方向转动，所述外围屏3跟随所述上游盘1一同转动。

所述上游盘1与所述下游盘2各自电机驱动可以控制不同转速和方向旋转。

所述上游盘1与所述下游盘2的外缘均保持有热流量，用于模拟发动机涡轮叶片以热传导方式对涡轮盘的加热。

采用上述对转盘腔流动结构，所述上游盘1与所述下游盘2朝着相反的方向旋转，在所述进气孔11通入冷却流体后，在盘腔内核心区不仅会形成三明治结构旋转，发生旋转即会增强冷却效果，而且核心区存在径向向内或径向向外的流体，且其径向速度在轴向呈线性分布，进一步增强了冷却效果。

因此，所述流动结构有助于增强对旋转盘壁面的冷却效果，研究结果有助于改进航空燃气涡轮发动机对转涡轮盘的冷却系统的设计，提高冷却效率，减小对冷气量的需求，从而提高发动机的性能。

具体的，参见图6a，所述盘腔内形成了一个逆时针对流涡胞和一个顺时针对流涡胞。具体的，冷却气流从所述上游盘1中心的进气孔11，沿下游盘2壁面的径向向外流动占优于上游盘1壁面附近沿上游盘1壁面的径向向外流动，两流动在上游盘1壁面某个径向位置处(临界半径)相遇，然后流向核心区。因此在盘腔外围(大半径区域)形成了一个逆时针对流涡胞，在盘腔中心区域(小半径区域)形成了一个顺时针对流涡胞。

参见图6b，盘腔内核心区流体像刚体一样与上游盘1同向旋转，核心区形成三明治结构旋转，从图中可以看出，所述盘腔内核心区切向速度随半径增大而减小。Stewartson型流动结构盘腔内各半径处的切向速度变化较大，但壁面边界层之间没有刚体状旋转结构，因此本发明所述的流动结构优于Stewartson型流动结构，具有更好的冷却效果。

参见图7a，所述盘腔内核心区在同一半径位置处的切向速度在轴向基本保持不变，但随半径的增大而减小，与Batchelor型流动旋转核心切向速度随半径变化规律相反。

参见图7b，所述盘腔内核心区存在径向向内或径向向外的流体，且其径向速度在轴向呈线性分布。所述径向是指沿所述上游盘1或所述下游盘2的半径的方向。所述对转盘腔流动结构，核心区具有径向速度，而Batchelor型流动结构核心区径向速度为0，因此优于Batchelor型流动结构，具有更好的冷却效果。

在本实施例中，所述盘腔内旋转数Rt等于0.091。

所述旋转数Rt为旋转雷诺数与进气雷诺数的比值，可以通过分别改变盘腔内的旋转雷诺数和进气雷诺数改变旋转数Rt，进而判断判断流动结构的转换，数值计算结果表明，当旋转数小于或等于0.091，就会形成本发明所述的流动结构。

参见图8a-图8b，由于所述上游盘1与所述下游盘2的外缘的加热作用，所述上游盘1与所述下游盘2壁面温度随半径的增加而增加，但两盘壁面总体温度随旋转数的降低而大大降低，在低旋转数下，形成本发明所述的流动结构，所述上游盘1与所述下游盘2壁面温度较低。说明采用本发明所述的流动结构，所述上游盘1与所述下游盘2壁面冷却效果好。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种对转盘腔流动结构，其特征在于：

包括大小相同的上游盘和下游盘，所述上游盘与所述下游盘相对设置，所述上游盘中央开设有进气孔，冷却气流从所述进气孔通入盘腔，所述上游盘的周向上设有外围屏，所述外围屏位于所述上游盘和所述下游盘之间，所述外围屏与所述下游盘之间具有出气间隙；

所述上游盘与所述下游盘沿着穿过所述上游盘和所述下游盘中心的旋转轴进行旋转，所述上游盘与所述下游盘的旋转方向相反；

所述盘腔内旋转数小于或等于0.091，所述旋转数为旋转雷诺数与进气雷诺数的比值；

所述盘腔内核心区形成有切向速度随半径增大而减小的三明治结构的旋转流体；

所述盘腔内核心区形成有径向向内或径向向外的流体，且其径向速度在轴向呈线性分布。

2.根据权利要求1所述的对转盘腔流动结构，其特征在于：

所述盘腔内形成有逆时针对流涡胞和顺时针对流涡胞。

3.根据权利要求1所述的对转盘腔流动结构，其特征在于：

所述上游盘与所述下游盘的外缘均保持有热流量。

4.根据权利要求1-3任一所述的对转盘腔流动结构，其特征在于：

所述上游盘与所述下游盘之间的间隙与所述上游盘的半径比值范围为：0.115-0.34。

5.根据权利要求4所述的对转盘腔流动结构，其特征在于：

所述出气间隙与所述上游盘的半径比值范围为：0.01-0.018。

6.根据权利要求5所述的对转盘腔流动结构，其特征在于：

所述进气孔的半径与所述上游盘的半径比值为0.125。

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