蒸汽和空氣預(yù)旋進(jìn)氣共轉(zhuǎn)盤腔壁面換熱研究

胡偉學(xué)， 王鎖芳， 毛莎莎

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)中，為了改善渦輪盤及轉(zhuǎn)子葉片的冷卻效果，冷卻氣體通常采用預(yù)旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行供氣。冷卻氣體在預(yù)旋噴嘴中膨脹加速，產(chǎn)生一個(gè)與渦輪盤旋轉(zhuǎn)方向相同的旋轉(zhuǎn)速度，冷卻氣體的相對(duì)總溫降低，從而提高了冷卻效果。

未來(lái)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獬鯗乜蛇_(dá)1 700 ℃[1]，使得渦輪葉片及渦輪盤的有效冷卻變得更加困難。目前，大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)采用空氣作為冷卻介質(zhì)，冷卻空氣從壓氣機(jī)的某一級(jí)引出，進(jìn)入冷卻通道。過(guò)量使用冷卻空氣將減少進(jìn)入燃燒室參與做功的氣流，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能降低。新型燃?xì)廨啓C(jī)采用了蒸汽冷卻[2]，相對(duì)于空氣冷卻，蒸汽冷卻有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)蒸汽的導(dǎo)熱性與熱容優(yōu)于空氣，故其冷卻效率高；(2)可以減少?gòu)膲簹鈾C(jī)中引氣，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。

三菱重工在2臺(tái)M501G燃?xì)廨啓C(jī)上使用了蒸汽冷卻技術(shù)[3]，結(jié)果表明，其熱效率達(dá)58%～60%，相同熱負(fù)荷下蒸汽冷卻的冷氣量比空氣冷卻的冷氣量減少10%～20%。Cleeton等[4]研究得出燃?xì)廨啓C(jī)中加濕式和蒸汽噴射式葉片冷卻技術(shù)，其循環(huán)效率有較大提高。Bohn等[5-6]研究了蒸汽冷卻葉片的性能，結(jié)果表明蒸汽的冷卻效果較為理想。Wang等[7]以過(guò)熱蒸汽作為冷卻劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了內(nèi)部閉環(huán)蒸汽在噴嘴導(dǎo)向葉片中的冷卻性能。Najjar等[8]研究了燃?xì)廨啓C(jī)在空氣冷卻、開(kāi)式蒸汽冷卻和閉式蒸汽冷卻3種葉片冷卻方式下的性能，結(jié)果表明，與空氣冷卻方式相比，閉式蒸汽冷卻方式的輸出功率提高11%，冷卻效率提高3.2%。Facchini等[9]提出了改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻的方法，得出蒸汽冷卻的優(yōu)越性。馬超[10]采用蒸汽和空氣2種冷卻介質(zhì)對(duì)實(shí)際渦輪葉片進(jìn)行冷卻，對(duì)比了二者的葉片冷卻性能，結(jié)果表明蒸汽冷卻下葉片表面的冷卻效率明顯要優(yōu)于空氣。王鎖芳等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了高位預(yù)旋進(jìn)氣的轉(zhuǎn)靜盤腔換熱，結(jié)果表明高位預(yù)旋進(jìn)氣對(duì)轉(zhuǎn)盤外緣冷卻效果較好。冶萍等[12]對(duì)4種不同進(jìn)氣方式下的轉(zhuǎn)-靜盤腔中流動(dòng)和傳熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)旋進(jìn)氣可以較好地對(duì)外圍屏進(jìn)行封嚴(yán)，降低冷卻渦輪葉片的空氣靜溫。

已有研究中，蒸汽冷卻方式多用于冷卻渦輪葉片，而在預(yù)旋系統(tǒng)渦輪盤中采用蒸汽冷卻的研究較少。國(guó)內(nèi)外對(duì)預(yù)旋系統(tǒng)的研究只局限于空氣介質(zhì)，缺乏對(duì)新型介質(zhì)預(yù)旋冷卻換熱特性的研究。筆者分別對(duì)采用蒸汽和空氣冷卻介質(zhì)的燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得2種冷卻方式下盤腔的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，分析影響換熱效果的因素，并對(duì)比分析了2種冷卻方式在換熱方面的優(yōu)劣。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算模型

圖1為燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)旋系統(tǒng)示意圖，冷卻氣體經(jīng)過(guò)預(yù)旋噴嘴膨脹加速，其與共轉(zhuǎn)盤腔轉(zhuǎn)盤(以下簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)盤)的相對(duì)速度變小。旋轉(zhuǎn)渦輪盤上開(kāi)有接收孔，冷卻氣體通過(guò)接收孔后進(jìn)入渦輪葉片冷卻通道。圖2給出了預(yù)旋系統(tǒng)轉(zhuǎn)靜盤腔簡(jiǎn)化模型，共轉(zhuǎn)盤腔外半徑b=230.4 mm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)作無(wú)量綱化處理，共轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)半徑a/b=0.67，共轉(zhuǎn)盤腔寬度lr/b=0.14；預(yù)旋盤腔外半徑rb/b=0.94，預(yù)旋盤腔內(nèi)半徑ra/b=0.63，預(yù)旋盤腔寬度rs/b=0.048。在靜盤盤面徑向位置Rp處均勻布置36個(gè)預(yù)旋噴嘴，預(yù)旋噴嘴直徑dp/b=0.026，其徑向位置Rp=rp/b=0.69，預(yù)旋角θ=20°。預(yù)旋盤腔與共轉(zhuǎn)盤腔通過(guò)接收孔連接，在徑向位置Rh處均勻分布著36個(gè)接收孔，其直徑dh/b=0.045，徑向位置Rh=rh/b=0.87，長(zhǎng)度lh/b=0.043；冷卻氣體通過(guò)圓環(huán)形狹縫流出，狹縫寬度s/b=0.010 4。

圖1 預(yù)旋系統(tǒng)示意圖

圖2 簡(jiǎn)化模型

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

預(yù)旋系統(tǒng)計(jì)算模型具有周期性，為了減少計(jì)算量，僅考慮了整個(gè)模型的1/36，如圖3所示。采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于預(yù)旋噴嘴和近壁面等流動(dòng)參數(shù)變化的區(qū)域采用局部加密，網(wǎng)格膨脹系數(shù)小于1.2，經(jīng)計(jì)算，壁面y+在30～150。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，選取網(wǎng)格數(shù)量為80萬(wàn)左右進(jìn)行計(jì)算。冷卻氣體的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)按Sutherland公式隨溫度變化。采用CFX穩(wěn)態(tài)計(jì)算，參考文獻(xiàn)[13]的計(jì)算方法，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，近壁面采用Scalable函數(shù)法，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。

圖3 計(jì)算模型

為了檢驗(yàn)本文數(shù)值計(jì)算方法的可行性，采用與文獻(xiàn)[13]相同的進(jìn)出口邊界條件和初始參數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-ε和SST 3種湍流模型，計(jì)算得到的中截面旋流比分布與文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4),其中r為旋轉(zhuǎn)半徑。從圖4可以看出，在湍流參數(shù)λT=0.127和0.369時(shí)，數(shù)值計(jì)算的旋流比及其隨徑向位置的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。與其他2種湍流模型相比，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型能更準(zhǔn)確地模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？傮w來(lái)說(shuō)，本文數(shù)值計(jì)算方法較為可靠。

1.3 邊界條件

分別對(duì)蒸汽和空氣2種冷卻介質(zhì)進(jìn)行比較計(jì)算，二者邊界條件設(shè)置相同。計(jì)算邊界條件如下：進(jìn)口分別采用壓力進(jìn)口和質(zhì)量流量進(jìn)口2種邊界條件，出口采用壓力出口。為了從不同方面研究2種介質(zhì)的冷卻效果，采用努塞爾數(shù)Nu和冷卻效率2個(gè)衡量指標(biāo)，當(dāng)研究轉(zhuǎn)盤Nu時(shí)，固體域內(nèi)壁面為恒溫，固體域不參與計(jì)算，這是為了排除固體域?qū)釋?duì)Nu的影響；當(dāng)研究冷卻效率時(shí)外壁面為恒溫，內(nèi)壁面和盤腔內(nèi)冷卻流體共軛換熱。轉(zhuǎn)靜交界面設(shè)置為GGI interface，采用Frozen Rotar[14]方法，預(yù)旋盤腔和共轉(zhuǎn)盤腔等其他壁面均采用絕熱無(wú)滑移邊界條件。

(a) λT=0.127

(b) λT=0.369

Fig.4 Comparison between computed results and experimental data

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 參數(shù)定義

旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為

(1)

無(wú)量綱質(zhì)量流量為

(2)

湍流參數(shù)為

(3)

旋流比為

(4)

局部努塞爾數(shù)[15]為

(5)

(6)

冷卻效率[16]為

(7)

式中：ρ為氣體密度；Ω為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角速度；μ為氣體的黏度；qm為冷卻氣體質(zhì)量流量；Vφ為氣流切向速度；qw為壁面局部熱流密度；λ為氣體導(dǎo)熱系數(shù)；Tw為壁面溫度；T0,p為氣體預(yù)旋進(jìn)口總溫；cp為比定壓熱容；Th為轉(zhuǎn)盤外壁面溫度。

2.2 2種介質(zhì)在有無(wú)預(yù)旋結(jié)構(gòu)下的冷卻特性對(duì)比

對(duì)比研究有預(yù)旋(預(yù)旋角為20°)和無(wú)預(yù)旋2種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的冷卻性能。圖5給出了不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和冷卻介質(zhì)下轉(zhuǎn)盤表面平均Nu隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的變化曲線。由圖5可知，對(duì)于空氣和蒸汽2種冷卻介質(zhì)，在無(wú)量綱質(zhì)量流量qm,w=8 000～16 000范圍內(nèi)，以預(yù)旋為進(jìn)氣方式的轉(zhuǎn)盤表面冷卻效果均優(yōu)于無(wú)預(yù)旋，其優(yōu)勢(shì)較為明顯。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣流量不變時(shí)，噴嘴出口處的氣流速度基本保持不變，預(yù)旋進(jìn)氣時(shí)的氣流切向分速度較大，降低了其與轉(zhuǎn)盤表面的相對(duì)速度，使得氣流與轉(zhuǎn)盤的相對(duì)總溫降低，溫差增大而換熱較好；另一方面，無(wú)預(yù)旋結(jié)構(gòu)時(shí)噴嘴出口氣流和預(yù)旋盤腔壁面的沖擊增強(qiáng)，動(dòng)量損失增大，接收孔后的氣體射流速度明顯降低，冷卻能力下降。

圖5 有無(wú)預(yù)旋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤表面平均Nu隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的變化

Fig.5 Average Nusselt number vs. non-dimensional mass flow rate with and without pre-swirl inflow

圖6給出了2種冷卻介質(zhì)的Nur曲線，此曲線表示接收孔出口對(duì)面處的轉(zhuǎn)盤表面換熱情況。由圖6可知，2種冷卻介質(zhì)下轉(zhuǎn)盤表面的冷卻效果分布特性基本沒(méi)有變化，但蒸汽冷卻時(shí)局部換熱效果和平均換熱效果均好于空氣冷卻。隨著徑向位置的增大，Nur呈先增大后減小的趨勢(shì)。換熱效果最差區(qū)域位于轉(zhuǎn)盤低半徑r/b=0.79處，在接近出口位置時(shí)，由于流道面積的減小，流速升高，換熱效果變好。在r/b=0.877處，換熱效果最好，這是因?yàn)榇颂幋嬖谝粋€(gè)射流沖擊冷卻區(qū)域，從接收孔流出的冷卻氣體近似垂直沖擊到轉(zhuǎn)盤表面，流場(chǎng)中存在很大的動(dòng)量變化，此處換熱強(qiáng)度最高。相同無(wú)量綱質(zhì)量流量下，蒸汽在此區(qū)域的換熱效果更好,其Nur比空氣的Nur平均提高約23%，對(duì)于整個(gè)轉(zhuǎn)盤的平均換熱情況(見(jiàn)圖5)，蒸汽Nur平均提高19%。在燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況3 000～3 600 r/min附近，無(wú)量綱質(zhì)量流量的變化對(duì)轉(zhuǎn)盤換熱有很大影響，對(duì)于空氣冷卻，qm,w=10 265、12 062、13 862和15 660時(shí)的平均Nu分別比qm,w=8 478下的平均Nu增大了21%、42%、64%和85%，對(duì)于蒸汽冷卻，其規(guī)律性與空氣類似。

圖6 不同無(wú)量綱質(zhì)量流量下Nur沿徑向的分布

Fig.6 Radial distribution of local Nusselt number at different non-dimensional mass flow rates

隨著預(yù)旋噴嘴進(jìn)口無(wú)量綱質(zhì)量流量的增大，一方面盤腔內(nèi)氣流速度升高，轉(zhuǎn)盤表面的流動(dòng)更加劇烈，換熱效果變好；另一方面氣流的平均溫度降低，與熱源的溫差變大，從而導(dǎo)致?lián)Q熱增強(qiáng)。對(duì)比2種冷卻介質(zhì)，由于蒸汽的低密度性，在相同無(wú)量綱質(zhì)量流量工況下，蒸汽冷卻的預(yù)旋噴嘴進(jìn)口有更大的初始速度，盤腔中的氣流摻混強(qiáng)度高于空氣，故冷卻效果較好。

2.3 不同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下2種冷卻介質(zhì)冷卻特性的對(duì)比

蒸汽和空氣的邊界條件均相同，進(jìn)口總壓為1.4 MPa，進(jìn)口總溫為500 K，出口總壓為0.8 MPa。圖7為2種冷卻介質(zhì)在不同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下的Nur沿徑向的分布曲線，圖8給出了轉(zhuǎn)盤表面平均Nu隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化曲線。從圖7和圖8可以看出，以蒸汽為冷卻介質(zhì)的轉(zhuǎn)盤表面換熱效果明顯優(yōu)于空氣，在研究范圍內(nèi)的相同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，蒸汽冷卻的轉(zhuǎn)盤最大Nur比空氣提高約25%，平均Nu比空氣提高約22%。

圖7 不同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下Nur沿徑向的分布

Fig.7 Radial distribution of local Nusselt number at different rotational Reynolds numbers

圖8 平均Nu隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化

在燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況附近，低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的轉(zhuǎn)盤換熱略優(yōu)于高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)。對(duì)于空氣冷卻，ReΦ=5.9×106、6.3×106和6.7×106時(shí)的轉(zhuǎn)盤表面平均Nu分別比ReΦ=5.5×106減小0.51%、1%和1.58%；而對(duì)于蒸汽冷卻，局部Nu也有類似的規(guī)律，隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大平均Nu略微減小。這是因?yàn)樯淞鳑_擊轉(zhuǎn)盤時(shí)，由于轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)作用，在轉(zhuǎn)盤表面會(huì)存在一個(gè)橫向流，使得射流偏離，降低沖擊射流冷卻效果。轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)較高時(shí)，其橫向流雷諾數(shù)較高，導(dǎo)致平均Nu較小，此規(guī)律與文獻(xiàn)[17]的結(jié)論一致。

圖9為ReΦ=6×106時(shí)2種冷卻介質(zhì)冷卻效率分布圖。從圖9可以看出，在蒸汽冷卻下的冷卻效率明顯好于空氣冷卻。這是因?yàn)樵谙嗤瑴囟取毫ο?，蒸汽的?dǎo)熱性和比熱容優(yōu)于空氣，相同工況和初始條件下的冷卻氣體，蒸汽能吸收更多的熱量，因此蒸汽具有更好的換熱效果。在轉(zhuǎn)盤沖擊核心區(qū)，冷卻效率最大，空氣冷卻效率為0.516，小于蒸汽的冷卻效率0.578，蒸汽比空氣提高了12%。二者的冷卻效率都向四周逐漸降低，其中沖擊核心區(qū)附近的換熱效果變化較為劇烈。低半徑處為流動(dòng)死角，氣流速度方向近似為切向，冷卻效率最低。高半徑處靠近氣流出口，流動(dòng)變化加劇，與轉(zhuǎn)盤相對(duì)速度較大，冷卻效率稍有提高。在射流沖擊點(diǎn)下游(如圖箭頭所示)冷卻效率等值線比上游密集，并出現(xiàn)了低換熱區(qū)域，空氣和蒸汽的冷卻效率分別為0.295和0.344左右，這個(gè)區(qū)域的冷卻效率低于沖擊點(diǎn)上游，尤其在高半徑和低半徑處較為明顯。

(a) 空氣(b) 蒸汽

圖9 轉(zhuǎn)盤表面的冷卻效率

Fig.9 Cooling efficiency on the surface of rotating disc

圖10和圖11可以看出轉(zhuǎn)盤表面核心區(qū)域附近的氣流相對(duì)速度方向與旋流比的變化情況，這也解釋了圖9中出現(xiàn)低換熱區(qū)域的原因：沖擊核心區(qū)上游氣流方向與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向相反，二者相對(duì)速度較大，受此影響流動(dòng)邊界層較薄，流體與壁面的換熱較好；而在沖擊核心下游，氣流方向與轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)方向相同，隨著下游氣流與下一個(gè)周期的上游氣流在2個(gè)沖擊核心區(qū)之間交匯，交匯后氣流分為上下兩股，且切向的相對(duì)速度均近似為零，旋流比急劇減小到1左右，即此位置的氣流切向速度與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速相同，壁面換熱效果變差。轉(zhuǎn)盤表面換熱最差的區(qū)域存在于最低半徑處，受兩股相反氣流與壁面的多重影響而形成渦旋，流動(dòng)性變差，壁面溫度最高，這直接導(dǎo)致此處冷卻氣流溫度最高。

(a) 空氣(b) 蒸汽

圖10 轉(zhuǎn)盤附近旋流比

圖11 轉(zhuǎn)盤附近氣流相對(duì)總溫和流線

Fig.11 Streamlines and relative total temperatures near the rotating disc

圖12給出了計(jì)算模型中截面(經(jīng)過(guò)接收孔)的流場(chǎng)分布。由圖12可知，2種冷卻介質(zhì)的轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本相同，因此使得二者不同換熱能力的機(jī)理與流場(chǎng)特性關(guān)系不大，而與物性參數(shù)有較大聯(lián)系。從預(yù)旋孔進(jìn)入腔室的冷卻氣流，受共轉(zhuǎn)盤腔旋轉(zhuǎn)的影響，在預(yù)旋盤腔內(nèi)形成2個(gè)較明顯的逆時(shí)針渦核，由于接收孔的徑向位置較高，導(dǎo)致低半徑處的渦系強(qiáng)度較大。而在共轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)則形成了2個(gè)順時(shí)針渦核，這主要是沖擊射流的卷吸作用以及氣流碰撞壁面后的回流導(dǎo)致的。2個(gè)強(qiáng)度較大的渦系增強(qiáng)了轉(zhuǎn)盤附近的流動(dòng)，使冷卻氣體與高溫氣流強(qiáng)烈摻混，加強(qiáng)了換熱效果。

(a) 空氣

(b) 蒸汽

在進(jìn)、出口壓力等初始條件不變的情況下，圖13給出了2種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱質(zhì)量流量隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化。由圖13可知，隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大，無(wú)量綱質(zhì)量流量有略微的增大，這是因?yàn)楫?dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)增大時(shí)，轉(zhuǎn)盤對(duì)冷卻氣體做功增大，使其周向速度升高，從而離心力增大，供氣壓損略微降低。在相同溫度下蒸汽和空氣的物理性質(zhì)不同，蒸汽的動(dòng)力黏度小于空氣，故其流動(dòng)性好于空氣，當(dāng)壓比及旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)相同時(shí)，蒸汽通過(guò)預(yù)旋系統(tǒng)的無(wú)量綱質(zhì)量流量比空氣的無(wú)量綱質(zhì)量流量增大約19%，這是蒸汽冷卻特性優(yōu)于空氣的另一個(gè)原因。

圖13 無(wú)量綱質(zhì)量流量隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化

2.4 不同進(jìn)口總溫下2種冷卻介質(zhì)換熱特性對(duì)比

蒸汽與空氣的邊界條件均相同，進(jìn)、出口總壓分別為1.4 MPa和0.8 MPa，進(jìn)口總溫范圍為500～675 K，進(jìn)、出口壓比為1.75，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)盤表面平均Nu隨預(yù)旋進(jìn)口總溫的變化趨勢(shì)如圖14所示。從圖14可以看出，隨著預(yù)旋噴嘴進(jìn)口總溫的升高，轉(zhuǎn)盤表面的平均Nu逐漸減小，這是因?yàn)殡S著進(jìn)口總溫的升高，轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)的冷卻氣體平均溫度升高，使得氣體的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，而對(duì)流傳熱系數(shù)隨著溫度的升高沒(méi)有明顯減小，從而使平均Nu逐漸減小?？諝饫鋮s時(shí)進(jìn)口總溫為675 K的平均Nu比進(jìn)口總溫為500 K時(shí)減小17%，蒸汽冷卻時(shí)則相應(yīng)減小27%。在此工況下，蒸汽的冷卻效果仍優(yōu)于空氣，但是隨著進(jìn)口總溫的升高，蒸汽冷卻相對(duì)于空氣冷卻的優(yōu)勢(shì)逐漸減弱。由圖15可知，空氣冷卻下平均冷卻效率隨進(jìn)口總溫變化不明顯；蒸汽冷卻轉(zhuǎn)盤平均冷卻效率隨進(jìn)口總溫的升高略微降低，其675 K時(shí)的平均冷卻效率比500 K時(shí)低2.3%左右。這是因?yàn)楫?dāng)溫度變化時(shí)，蒸汽的物性相比空氣變化更劇烈，冷卻效果的變化比空氣更明顯。

圖14 平均Nu隨進(jìn)口總溫的變化

圖15 平均冷卻效率隨進(jìn)口總溫的變化

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于空氣和蒸汽2種冷卻介質(zhì)，預(yù)旋進(jìn)氣旋轉(zhuǎn)盤表面換熱努塞爾數(shù)和冷卻效率均明顯優(yōu)于無(wú)預(yù)旋進(jìn)氣。不同無(wú)量綱質(zhì)量流量下，2種冷卻介質(zhì)的轉(zhuǎn)盤表面冷卻效果分布規(guī)律相似，但蒸汽冷卻效果優(yōu)于空氣，平均Nu提高19%，隨著無(wú)量綱質(zhì)量流量的增大，空氣和蒸汽的平均Nu明顯增大。

(2)在ReΦ=5.5×106～7.2×106范圍內(nèi)，相同旋轉(zhuǎn)雷諾下以蒸汽為冷卻介質(zhì)的轉(zhuǎn)盤表面局部Nu和冷卻效率明顯高于空氣，平均Nu比空氣冷卻提高約22%，低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)盤換熱略優(yōu)于高旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)。

(3)進(jìn)口總溫在500～675 K內(nèi)，進(jìn)、出口壓比為1.75，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min的條件下，蒸汽冷卻效果仍然優(yōu)于空氣，但隨著進(jìn)口總溫的升高，其優(yōu)勢(shì)逐漸減弱，轉(zhuǎn)盤表面平均Nu隨預(yù)旋進(jìn)口總溫的升高而減小，空氣冷卻下的轉(zhuǎn)盤平均冷卻效率隨進(jìn)口總溫變化不明顯，蒸汽冷卻下的平均冷卻效率隨進(jìn)口總溫的升高略微降低。