如何实现高精度高可靠的高转速下涡轮转盘瞬态换热测量方法？

所属领域：航空发动机空气系统与热分析

所属学科：470动力与电气工程

作者信息：林阿强    西北工业大学

关键词：旋转盘腔，涡轮盘，瞬态换热，表面换热系数

为难题正文的摘要部分，简单描述本难题基本核心内容和观点

压气机盘腔部件工程热分析的边界计算方法（经验关系式等）的精度对部件温度场计算结果具有重要影响，为了获得转盘更精确的温度场计算结果，需要提升边界条件的计算精度。当前基于第三类边界条件下一维半无限大平板瞬态导热模型建立的对流换热系数常规瞬态测量技术，在一定程度上很难满足高转速下转转盘腔金属转盘瞬态换热测量的核心需求。因此，亟需开展多级盘腔转盘对流换热系数新瞬态测量方法应用研究，将所发展的换热温度与对流换热系数瞬态测量方法应用到旋转盘腔的换热测量中，揭示多级盘腔转盘换热温度和对流换热系数的变化规律，为压气机环境下的叶尖间隙测量试验提供基础技术和理论支撑。

简要介绍本难题在现阶段科技发展和社会进步中的产生背景

通过测量壁面温度随时间的变化率来获得温度的空间变化率，进而得到壁面热流密度和表面传热系数。基于一维半无限大平板瞬态导热模型的表面传热系数的瞬态测量方法就是基于这个原理，已在业界得到广泛认可和应用，特别是静止壁面的对流换热测量，国内外也有在小于4000rpm的低速旋转盘腔中应用，但在6000rpm以上高转速情况，目前未见任何应用报道。一维半无限大平板瞬态导热模型不能应用到高速转盘（Maφ>0.45，相应转速6000rpm以上）换热测量的主要原因有两点：
1）为了能满足高转速下试验强度要求而采用金属转盘，转盘热穿透发生极快，即在非正规状况用于换热测量的时间只有数秒；
 2）瞬态试验过程中，在来流温度突然升高的零时刻之前，由于高转速引起的转子做功和气动热，转盘的初始壁温（在转盘达到某一转速但未对气流加热时沿壁厚方向分布的转盘温度）就已经升高了，导致初始时刻转盘温度沿壁厚方向分布不均匀。
这两条均不满足一维半无限大平板瞬态导热模型的成立条件。

简要介绍本难题的最新进展，及未来面临的关键难点与挑战

当前，需要提出一种适用于高旋转马赫数的转-静/转-转盘腔换热的新瞬态法，开展高旋转马赫数下转盘表面传热系数的瞬态测量的新方法的理论应用基础研究。为了完善旋转盘腔换热测试的方法和理论体系，需要掌握在高转速下满足一维无限大平板瞬态导热模型应用的方法和耦合机理，阐明初始条件和边界条件对转盘瞬态换热的作用效应，揭示应用新瞬态法获取表面传热系数的关联机制，验证新瞬态法在高旋转马赫数转盘上应用的可靠性和准确性。研究结果将为解决高旋转马赫数下涡轮盘腔金属转盘瞬态换热测量难题提供新方法和新方向，为新一代航空发动机空气系统的冷气流量高效分配、精细化旋转盘腔冷却设计和寿命评估提供基础技术和理论支撑。

简要介绍本难题取得突破后，对推动重大工程项目实施、提高社会生产效率的重大影响和引领作用，以及可能产生的重大科技、经济和社会效益

开展转盘表面对流换热系数的热物性测量方法研究来确定其表面换热情况，重点进行高转速下换热系数新瞬态测量方法影响机制及验证的基础问题研究，全面评估基于新的换热系数测量方法的可行性和准确性，揭示转盘腔换热系数随转速、气流气动参数（旋转比、流量、温度、压力）变化的规律，建立转盘表面对流换热系数沿径向分布及局部/平均努塞尔数的试验关联式，为空气系统与传热设计提供基础技术和理论支撑，具有重要的工程和理论价值。