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    蒸汽/空氣預(yù)旋系統(tǒng)溫降和流阻特性對(duì)比研究

    2019-12-13 08:33:48毛莎莎王鎖芳胡偉學(xué)
    航空發(fā)動(dòng)機(jī) 2019年5期
    關(guān)鍵詞:總溫總壓無(wú)量

    毛莎莎,王鎖芳,胡偉學(xué)

    (南京航空航天大學(xué),航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210016)

    0 引言

    為提高冷卻空氣品質(zhì),改善轉(zhuǎn)子葉片及渦輪盤(pán)冷卻效果,現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)常采用預(yù)旋系統(tǒng)向熱端部件提供冷氣。預(yù)旋系統(tǒng)通過(guò)預(yù)旋噴嘴降低氣流相對(duì)總溫,減少冷氣流動(dòng)損失,從而為高壓渦輪葉片輸送品質(zhì)更高的冷卻空氣,有利于減少冷氣用量,進(jìn)而提高燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能。開(kāi)發(fā)高效的葉片冷卻技術(shù)對(duì)于提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和輸出功率極其重要。當(dāng)燃?xì)鉁u輪進(jìn)口溫度超過(guò)1500℃時(shí),采用以空氣為介質(zhì)的葉片冷卻技術(shù)已不能滿(mǎn)足高性能燃?xì)廨啓C(jī)的要求[1]。蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容較空氣的大,冷卻品質(zhì)更高,可以更好地提升燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能。目前蒸汽冷卻技術(shù)發(fā)展極為迅速,在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景?,F(xiàn)已被應(yīng)用于新型燃?xì)廨啓C(jī)中,如美國(guó)GE公司H型燃?xì)廨啓C(jī)等。

    對(duì)以蒸汽為冷卻介質(zhì)的冷卻結(jié)構(gòu),國(guó)內(nèi)外展開(kāi)了一些研究[2-5],研究表明閉式循環(huán)蒸汽冷卻技術(shù)比空氣冷卻技術(shù)更有利于提高冷卻效率。馬超等[6-9]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了空氣/蒸汽冷卻下渦輪葉片的冷卻性能,結(jié)果表明在所有換熱結(jié)構(gòu)下蒸汽冷卻的傳熱性能明顯高于空氣冷卻的。同時(shí),國(guó)外針對(duì)以空氣為冷卻介質(zhì)的預(yù)旋系統(tǒng)也進(jìn)行了一定研究。Geis等[10]進(jìn)行了有關(guān)預(yù)旋溫降的試驗(yàn)研究,并給出了相對(duì)總溫定義。據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn),一方面,蒸汽冷卻技術(shù)的應(yīng)用得益于蒸氣在導(dǎo)熱方面的優(yōu)良性能,但溫降和流阻特性作為旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔冷卻結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo),公開(kāi)文獻(xiàn)中對(duì)此尚未展開(kāi)研究,蒸汽與空氣在溫降和流阻特性方面的優(yōu)劣關(guān)系也尚未明確;另一方面,對(duì)于預(yù)旋系統(tǒng)使用蒸汽冷卻技術(shù)及對(duì)其流動(dòng)特性的研究極為匱乏,對(duì)于預(yù)旋系統(tǒng)蒸汽冷卻流動(dòng)損失規(guī)律也尚未明確,這對(duì)于蒸汽冷卻預(yù)旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

    為明確蒸汽冷卻預(yù)旋系統(tǒng)溫降和流阻特性,進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)冷氣品質(zhì),本文分別對(duì)采用水蒸氣和空氣作為冷卻介質(zhì)的燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬;為更好地分析不同冷卻介質(zhì)預(yù)旋系統(tǒng)流動(dòng)性能的影響因素,還選用了二氧化碳作為空氣和蒸汽預(yù)旋系統(tǒng)流動(dòng)特性的比較對(duì)象開(kāi)展研究。

    1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

    1.1 計(jì)算模型

    以燃?xì)廨啓C(jī)蓋板式預(yù)旋系統(tǒng)[9]為研究對(duì)象,其實(shí)物模型如圖1(a)所示。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,本研究在保證燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)旋系統(tǒng)關(guān)鍵尺寸基本不變的條件下對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[11]。忽略預(yù)旋系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)腔中的上、下封嚴(yán)結(jié)構(gòu);其中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的轉(zhuǎn)-靜腔、蓋板腔被簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單環(huán)腔,將出流孔簡(jiǎn)化為狹縫出口。簡(jiǎn)化后的計(jì)算模型如圖1(b)所示,包括預(yù)旋噴嘴、轉(zhuǎn)-靜腔、接受孔、蓋板腔、出流狹縫。簡(jiǎn)化計(jì)算模型的尺寸參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[12-13]。簡(jiǎn)化計(jì)算模型中含預(yù)旋噴嘴36個(gè),其預(yù)旋角為20毅;接受孔36個(gè)。

    圖1 計(jì)算模型

    考慮到燃?xì)廨啓C(jī)預(yù)旋系統(tǒng)的周期性及對(duì)稱(chēng)性,計(jì)算域只選取整個(gè)模型的1/36。采用ICEM軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,取預(yù)旋腔軸向中間位置截面為靜止計(jì)算域與轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算域的交界面(interface),并分別對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)域和靜止域生成網(wǎng)格,計(jì)算域內(nèi)均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格膨脹系數(shù)小于1.2,對(duì)預(yù)旋噴嘴、接受孔、出流狹縫、轉(zhuǎn)盤(pán)壁面處等流動(dòng)參數(shù)變化劇烈區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。同時(shí)對(duì)計(jì)算模型計(jì)算了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)80萬(wàn)后各出口流動(dòng)參數(shù)變化很小,最后選取網(wǎng)格數(shù)量為80萬(wàn)左右。

    1.2 計(jì)算方法

    利用商業(yè)軟件Fluent求解3維穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)和能量方程。選取合適的湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確度十分重要。為此選取 Standard k-ε、RNG k-ε、Realizable k-ε和Standard k-ε 4種湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬,并利用文獻(xiàn)[12]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流模型驗(yàn)證。

    靜子壁面上的無(wú)量綱靜壓沿?zé)o量綱徑向位置(r/b)分布的試驗(yàn)結(jié)果和不同湍流模型計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從圖中可見(jiàn),采用Standard k-ε模型得到的計(jì)算結(jié)果的總體趨勢(shì)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,誤差相比其他模型的更小。利用文獻(xiàn)[14]中的湍流模型,綜合考慮本文選取了Standard湍流模型,近壁面采用Scalable函數(shù)法,壓力與速度耦合采用SIMPLE算法。經(jīng)過(guò)計(jì)算,壁面y+=30~150,滿(mǎn)足湍流模型邊界層要求。

    圖2 不同數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

    1.3 邊界條件

    針對(duì)上述計(jì)算模型,數(shù)值模擬中邊界條件設(shè)定情況如下:壁面絕熱無(wú)滑移;冷卻介質(zhì)密度按真實(shí)氣體計(jì)算,黏性隨溫度變化;旋轉(zhuǎn)域給定旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)角速度,周期面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期面,旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)壁面相同。進(jìn)、出口邊界條件給定如下:(1)當(dāng)研究旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的影響時(shí),采用壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件,給定入口總溫、總壓和出口的靜壓,改變旋轉(zhuǎn)域的轉(zhuǎn)速;(2)當(dāng)研究進(jìn)、出口壓比的影響時(shí),采用壓力進(jìn)口、壓力出口邊界條件,給定入口的總溫、總壓,改變出口的靜壓;(3)當(dāng)研究無(wú)量綱質(zhì)量流量的影響時(shí),采用質(zhì)量流動(dòng)進(jìn)口、壓力出口邊界條件,給定旋轉(zhuǎn)計(jì)算域的轉(zhuǎn)速、出口的總溫、總壓,改變進(jìn)口的質(zhì)量流量。

    2 參數(shù)定義

    在數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處理中,主要涉及到的參數(shù)及其表達(dá)式如下。

    2.1 進(jìn)、出口壓比π

    進(jìn)、出口壓比定義為

    2.2 旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Re椎

    旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)基于預(yù)旋系統(tǒng)氣流出口定義為

    式中:ρ為氣體密度,kg/m3;μ 為氣流動(dòng)力黏度,m2/s;υ為氣流運(yùn)動(dòng)黏度,Pa·s;Ω 為旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s;b為盤(pán)腔外半徑,m。

    2.3 無(wú)量綱質(zhì)量流量Cw

    無(wú)量綱質(zhì)量流量基于氣流進(jìn)口定義為

    式中:m˙為進(jìn)口處的空氣質(zhì)量流量,kg/s。

    2.4 相對(duì)總溫T*rel與無(wú)量綱總溫降Θ

    相對(duì)總溫定義為

    式中:T 為靜溫,K;Vr氣流徑向速度,m/s;Va為氣流軸向速度,m/s;VΦ為氣流周向速度,m/s;Cp為定壓比熱,kJ/(kg·K);ω為系統(tǒng)轉(zhuǎn)速,r/min;r為當(dāng)?shù)匕霃?,m。

    無(wú)量綱總溫降作為預(yù)旋系統(tǒng)溫降性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,其定義為

    2.5 旋流比Sr

    旋流比基于預(yù)旋噴嘴出口及旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔內(nèi)部,定義為

    2.6 總壓損失系數(shù)ζ

    總壓損失系數(shù)作為預(yù)旋系統(tǒng)流阻性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,其定義為

    3 結(jié)果分析與討論

    3.1 進(jìn)、出口壓比的影響

    在旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為5.5×106時(shí),3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降隨進(jìn)、出口壓比的變化如圖3所示。從圖中可見(jiàn),當(dāng)進(jìn)、出口壓比由1.2增至1.8時(shí),3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降均隨進(jìn)、出口壓比的增大而減小;在相同進(jìn)、出口壓比下,3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降大小關(guān)系為:ΘCO2>Θair>Θsteam,且蒸汽的無(wú)量綱總溫降平均比空氣低17.9%,而二氧化碳的無(wú)量綱總溫降平均比空氣的高16.8%。

    圖3 無(wú)量綱溫降隨進(jìn)、出口壓比變化

    結(jié)合旋流比對(duì)圖3進(jìn)行分析。根據(jù)預(yù)旋系統(tǒng)原理,預(yù)旋噴嘴使冷氣產(chǎn)生1個(gè)與轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向相同的切向分速度,從而降低出流口處氣流相對(duì)于葉片和轉(zhuǎn)盤(pán)的總溫,進(jìn)而提高冷氣對(duì)熱端部件的冷卻品質(zhì)。因此旋流比越接近1,流體在旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔的相對(duì)總溫越低,溫降效果越好。當(dāng)旋流比大于1時(shí),無(wú)量綱總溫降將隨旋流比增大而減小。3種冷卻介質(zhì)在進(jìn)、出口壓比分別為1.2、1.4、1.7轉(zhuǎn)靜腔中截面(interface)的旋流比如圖4所示。從圖中可見(jiàn),同一介質(zhì)在相同點(diǎn)處的旋流比隨著進(jìn)、出口壓比的增大而增大;同一進(jìn)、出口壓比下,3種冷卻介質(zhì)在轉(zhuǎn)靜腔中截面(interface)中高半徑出口附近的旋流比關(guān)系為 Sr,steam>Sr,air>Sr,CO2。

    研究進(jìn)、出口壓比對(duì)3種冷卻介質(zhì)預(yù)旋系統(tǒng)流動(dòng)特性的影響規(guī)律時(shí),在同一壓比下不同冷卻介質(zhì)均給定了相同的進(jìn)、出口總壓,從總壓損失系數(shù)定義式(7)可知,在同一壓比下的不同冷卻介質(zhì)均有相同的總壓損失系數(shù),在此不做比較分析。

    圖4 3種冷卻介質(zhì)轉(zhuǎn)、靜腔中截面旋流比

    3.2 無(wú)量綱質(zhì)量流量的影響

    在旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)為5.0×106時(shí),3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可見(jiàn),當(dāng)無(wú)量綱質(zhì)量流量由0.71×104增至1.41×104時(shí),3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降均隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的增加而減??;在相同無(wú)量綱質(zhì)量流量下3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降大小關(guān)系為:ΘCO2>Θair> Θsteam,與空氣的無(wú)量綱總溫降相比,蒸汽的平均低19.9%,二氧化碳的平均高26.3%。

    溫降特性上的差異與其隨進(jìn)、出口壓比的變化規(guī)律大致相同,其成因也類(lèi)似,也可從旋流比的角度分析。在轉(zhuǎn)速不變的條件下,3種冷卻介質(zhì)在轉(zhuǎn)、靜腔中的旋流比均大于1,且隨著進(jìn)口質(zhì)量流量的增加進(jìn)口氣流速度也增大,則3種冷卻介質(zhì)在轉(zhuǎn)、靜腔中的旋流比也進(jìn)一步增大,進(jìn)而導(dǎo)致3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的增加而減小。同時(shí),物性參數(shù)方面的差異進(jìn)一步導(dǎo)致預(yù)旋系統(tǒng)進(jìn)口氣流速度的差異,而使得3種介質(zhì)在相同工況下的旋流比有所不同,最后表現(xiàn)為3種介質(zhì)在無(wú)量綱總溫降上的差異。

    圖5 無(wú)量綱總溫降隨無(wú)量綱質(zhì)量流量變化

    3種冷卻介質(zhì)的總壓損失系數(shù)隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的變化規(guī)律如圖6所示。從圖中可見(jiàn),當(dāng)無(wú)量綱質(zhì)量流量由0.71×104增至1.41×104時(shí),3種冷卻介質(zhì)的總壓損失系數(shù)均隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的增加而增大;在相同無(wú)量綱質(zhì)量流量下,3種冷卻介質(zhì)的總壓損失系數(shù) 大 小 關(guān) 系 為 :ζair≈ζsteam>ζCO2,且二氧化碳的總壓損失系數(shù)平均比空氣的低50.2%。

    圖6 總壓損失系數(shù)隨無(wú)量綱質(zhì)量流量變化

    3種冷卻介質(zhì)物性方面的差異使得圖6中的流阻性能變化曲線(xiàn)不盡相同。首先,流動(dòng)過(guò)程的氣流速度隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的增加而增大,而流動(dòng)過(guò)程的氣動(dòng)損失近似與速度平方成正比,從而導(dǎo)致進(jìn)、出口壓差迅速增大,使得總壓損失系數(shù)隨無(wú)量綱質(zhì)量流量的增加而顯著增大。其次,當(dāng)3種冷卻介質(zhì)轉(zhuǎn)速相同時(shí),其離心升壓泵效應(yīng)相差不大,此時(shí)的壓降主要考慮由于壁面摩阻和氣流分離拐彎等引起的氣動(dòng)損失,如圖7所示。從圖中可見(jiàn),在同一無(wú)量綱質(zhì)量流量下,系統(tǒng)內(nèi)氣流相對(duì)速度存在如下大小關(guān)系:Vrel,steam>Vrel,air>Vrel,CO2,因此二氧化碳在流動(dòng)過(guò)程的壓力損失最小。最后,雖然蒸汽的氣流相對(duì)速度大于空氣的,但空氣的動(dòng)力黏度要大于蒸汽的。動(dòng)力黏度越大,流動(dòng)過(guò)程中流體內(nèi)摩擦作用越大,即黏性耗散作用越大,壓力損失也越大,這2種因素的綜合影響最后表現(xiàn)為蒸汽的總壓損失系數(shù)稍大于空氣的。

    圖7 3種介質(zhì)相對(duì)速度沿程變化

    3.3 旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的影響

    當(dāng)進(jìn)、出口壓比仔=1.4時(shí),3種冷卻介質(zhì)的無(wú)量綱總溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化情況如圖8所示。從圖中可見(jiàn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)由3.4×106增至7.1×106時(shí),空氣和二氧化碳的無(wú)量綱總溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而增大,但二氧化碳的無(wú)量綱總溫降平均比空氣的低18.2%;而蒸汽無(wú)量綱總溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)先增大后減小,在 ReΦ=5.04×106附近出現(xiàn)1個(gè)峰值,且在ReΦ=4.55×106附近與二氧化碳的變化曲線(xiàn)相交,即在此工況下,蒸汽和二氧化碳的無(wú)量綱總溫降相同。

    圖8 無(wú)量綱總溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)變化

    蒸汽的無(wú)量綱溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大先增大后減小的變化規(guī)律可結(jié)合相對(duì)總溫的定義式(4)分析。相對(duì)總溫包括相對(duì)動(dòng)溫和靜溫。一方面,轉(zhuǎn)速越大,旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)越大,出口氣流的軸向速度和周向相對(duì)速度越大(狹縫出口的氣流徑向速度可忽略不計(jì)),即相對(duì)動(dòng)溫越大。另一方面,蒸汽的出口靜溫隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而減小的變化如圖9所示。這表明在蒸汽流動(dòng)條件下,隨著旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大,相對(duì)動(dòng)溫的增大速度逐漸超過(guò)出口靜溫的下降速度,最后表現(xiàn)為如圖9所示的蒸汽出口氣流的相對(duì)總溫先減小后增大。最后結(jié)合無(wú)量綱總溫降定義式(5)可知,蒸汽出口氣流的相對(duì)總溫先減小后增大,與進(jìn)口氣流靜溫的降低共同導(dǎo)致蒸汽的無(wú)量綱溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大先增大后減小的變化規(guī)律。一方面,由無(wú)量綱總溫降的定義式(4)可知,在進(jìn)口氣流總溫給定的條件下,無(wú)量綱總溫降僅取決于出口氣流相對(duì)總溫和進(jìn)口氣流靜溫。而在忽略壁面?zhèn)鳠岬那闆r下,出口氣流相對(duì)總溫取決于出口氣流的定壓比熱容、靜溫和相對(duì)出口速度。當(dāng)進(jìn)、出口壓比π=1.4時(shí),3種冷卻介質(zhì)的進(jìn)口靜溫和出口相對(duì)總溫隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化情況如圖9所示。從圖中可見(jiàn),在數(shù)值模擬工況范圍內(nèi),一方面,二氧化碳和空氣的出口相對(duì)總溫隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)線(xiàn)性降低,但蒸汽的出口相對(duì)總溫隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)先降低后升高;3種介質(zhì)的進(jìn)口靜溫均隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而降低。另一方面,在相同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下,空氣的出口氣流相對(duì)總溫和進(jìn)口靜溫均小于蒸汽和二氧化碳的。因此,空氣和二氧化碳的無(wú)量綱總溫降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而增大。

    當(dāng)進(jìn)、出口壓比π=1.4時(shí),3種冷卻介質(zhì)的總壓損失系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的變化如圖10所示。從圖中可見(jiàn),在工況范圍內(nèi),3種冷卻介質(zhì)的總壓損失系數(shù)均隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而減??;但蒸汽和空氣的總壓損失系數(shù)減小趨勢(shì)要比二氧化碳的更為顯著,在相同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下3種冷卻介質(zhì)的總壓損失系數(shù)大小關(guān)系為:ζCO2>ζair≈ζsteam。

    圖9 出口總溫和進(jìn)口靜溫隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)變化

    圖10 總壓損失系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)變化

    由文獻(xiàn)[15]可知,預(yù)旋系統(tǒng)中的壓降主要受2個(gè)因素影響:(1)轉(zhuǎn)速越大,由壁面摩阻和氣流分離拐彎等引起的氣動(dòng)損失越大;(2)轉(zhuǎn)速越大,旋轉(zhuǎn)腔中的離心升壓泵效應(yīng)越強(qiáng),總壓越高。而離心升壓泵效應(yīng)在3種因素中占主導(dǎo)地位,因此3種冷卻介質(zhì)的壓降隨旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增大而減小。3種介質(zhì)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)變化如圖11所示。當(dāng)3種冷卻介質(zhì)在相同旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)時(shí)所需的轉(zhuǎn)速存在如下關(guān)系:ωsteam>ωair>ωCO2。因此二氧化碳介質(zhì)的離心升壓泵作用最小,其總壓損失系數(shù)要大于空氣與蒸汽的;同時(shí),與空氣介質(zhì)相比,蒸汽介質(zhì)達(dá)到同一旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)所需的轉(zhuǎn)速較大,則由于壁面摩阻和氣流分離拐彎等引起的氣動(dòng)損失越大,離心升壓泵作用最大,此2種因素的綜合影響最后表現(xiàn)為蒸汽的總壓損失系數(shù)稍大于空氣的。

    圖11 3種介質(zhì)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)

    4 結(jié)論

    本文對(duì)比研究了進(jìn)、出口壓比和無(wú)量綱質(zhì)量流量、旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)對(duì)蒸汽、空氣和二氧化碳3種冷卻介質(zhì)預(yù)旋系統(tǒng)溫降和流阻特性的影響規(guī)律,并分析了蒸汽和空氣在溫降和流阻性能方面的優(yōu)劣。主要結(jié)論如下:

    (1)當(dāng)旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)由3.4×106增至7.1×106時(shí),空氣的無(wú)量綱總溫降隨之增大,但蒸汽的無(wú)量綱總溫降隨之先增大后減?。辉谕恍D(zhuǎn)雷諾數(shù)下,空氣與蒸汽的流阻性能相差不大。

    (2)當(dāng)進(jìn)、出口壓比由1.2增至1.8時(shí),空氣的溫降性能最優(yōu),要優(yōu)于蒸汽的。

    (3)當(dāng)無(wú)量綱質(zhì)量流量由0.71×104增至1.41×104時(shí),空氣的溫降性能要優(yōu)于蒸汽的;但二者的流阻性能相差不大。

    (4)綜合文獻(xiàn)及本文的研究成果表明,蒸汽的導(dǎo)熱性能要優(yōu)于空氣的,且二者的流阻性能相差不大,但蒸汽在預(yù)旋系統(tǒng)中的溫降性能明顯不如空氣的,因此在燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中采用蒸汽冷卻技術(shù)時(shí),需要綜合考慮其對(duì)冷卻系統(tǒng)的溫降性能和冷卻效率的影響,并對(duì)蒸汽冷卻下預(yù)旋結(jié)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)盤(pán)腔開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高其溫降性能,進(jìn)而為冷卻系統(tǒng)提供品質(zhì)更高的冷卻介質(zhì)。

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