涡轮机匣热辐射⁃对流耦合换热特性数值计算与实验测试

陈皓; 李嘉伟; 史航; 汪彤; 宋方舟; 王天壹; 刘向雷

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20210529

涡轮机匣热辐射⁃对流耦合换热特性数值计算与实验测试

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210529

陈皓¹,
李嘉伟²,
史航²,
汪彤²,
宋方舟²,
王天壹²,
刘向雷^2,, ,

1.
中国航空发动机集团有限公司沈阳发动机研究所，沈阳 110015
2.
南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016

基金项目:

国家科技重大专项（2017⁃Ⅲ⁃0010⁃0036）

详细信息

作者简介:
陈皓（1988-），男，工程师，主要从事航空发动机热分析的研究。

通讯作者:
刘向雷（1989-），男，教授、博士生导师，博士，主要从事航空航天器热推进与热管理以及先进储能技术的研究。E⁃mail：xliu@nuaa.edu.cn

中图分类号: V231.1
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出版历程
- 收稿日期: 2021-09-22

Numerical calculation and experimental test of heat radiation⁃ convection coupling heat transfer characteristics of turbine casing

1.
Shenyang Engine Research Institute，Aero Engine Corporation of China，Shenyang 110015，China
2.
College of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China

摘要

摘要:
开展了整环机匣的热辐射⁃对流耦合计算，获得了综合传热系数拟合关系式，并进行了实验测试验证。研究发现：封闭腔内，热辐射的存在大幅强化了壁面换热，辐射热流占总换热量比值可达90%以上。在3层机匣结构中，当发射率在0.3~0.8变化时，机匣沿径向方向上的温度梯度减小，主流区域的对流换热得到加强，半封闭区域对流强度降低。发射率为0.8时，外机匣流体侧壁面的辐射热流占总换热量的33.3%。
- 涡轮机匣 /
- 机匣实验 /
- 自然对流 /
- 流固耦合 /
- 辐射换热
Abstract:
The heat radiation⁃convection coupling calculation of the entire ring casing was carried out，the comprehensive heat transfer coefficient fitting relationship was obtained，and the experimental test was verified.The study found that the existence of heat radiation in the enclosed cavity greatly strengthened the wall heat transfer.The ratio of radiant heat flow to the total heat transfer can reach more than 90%.In the three⁃layer receiver structure，when the emissivity changed from 0.3 to 0.8，the temperature gradient in the radial direction of the receiver decreased，the convective heat transfer in the mainstream area was strengthened，and the convective intensity in the semi⁃enclosed area decreased.When the emissivity was 0.8，the radiant heat flow on the fluid sidewall of the outer casing accounted for 33.3% of the total heat transfer.
- turbine casing /
- casing experiment /
- natural convection /
- fluid⁃solid coupling /
- radiation heat transfer
注释:

1) 王碧珺

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图 1 机匣模型轴向截面图（单位：mm）

Figure 1. Axial section diagram of casing model （unit：mm）

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图 2 实验件管路连接示意图

Figure 2. Schematic diagram of pipeline connection of experiment piece

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图 4 温度控制系统逻辑图

Figure 4. Logic diagram of temperature control system

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图 6 网格划分局部视图

Figure 6. Meshes local views

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图 7 不同网格数量下加热面热流

Figure 7. Heat flow of heating surface under different mesh numbers

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图 8 壁面边界条件说明

Figure 8. Illustration of wall boundary conditions

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图 9 工况1实验与仿真温度对比图

Figure 9. Comparison diagram of experimental and simulated temperature in working condition 1

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图 10 不同热处理时间下的合金单色发射率

Figure 10. Monochromatic emissivity of alloy at different heat treatment times

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图 11 腔5横向截面速度云图

Figure 11. Velocity cloud of transverse section of cavity 5

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图 12 线1的局部努塞尔数分布

Figure 12. Local Nusselt number distribution of line1

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图 13 线2相比于线1的平均努塞尔数增加百分比

Figure 13. Percentage increase in the mean Nusselt number of line 2 compared to line 1

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图 14 轴向截面流线图

Figure 14. Axial section flow line diagram

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图 16 不同发射率下机匣轴向截面温度云图

Figure 16. Temperature cloud of casing axial section under different emissivities

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图 17 不同发射率下S3截面径向方向的温度变化图

Figure 17. Temperature variation diagram of S3 section in radial direction under different emissivities

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图 18 面C上线3位置示意图

Figure 18. Line 3 position schematic diagram on surface C

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图 19 不同发射率下线3上的Nu变化图

Figure 19. Nusselt number variation diagram at line 3 with different emissivities

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图 20 综合传热系数随 $σ T_{m}^{3}$ 变化图

Figure 20. Variation diagram of comprehensive heat transfer coefficient with $σ T_{m}^{3}$

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表 1 机匣内部通孔尺寸

Table 1. Through hole size inside the casing

孔道名称尺寸/mm 个数

孔A 34（直径） 10
孔B 4（直径） 20
孔C $2$ （直径） 20
孔D 7 $\times$ 1（长×宽） 20

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表 2 实验测量工况

Table 2. Experimental measurement condition

工况编号进口流量/（kg/s）内壁面加热温度/K 进口平均温度/K

1 0.07 600 285.7
2 0.07 700 287.4
3 0.1 600 285.6
4 0.1 700 287.8

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表 3 不确定度分量汇总表

Table 3. Summary of uncertainty components

不确定度不确定度来源不确定度评定方式标准不确定度/K

标准不确定度 $u_{1}$ 热电偶 B类 $\frac{2.5}{\sqrt[]{3}} = 1.44$
$u_{2}$ 数据采集系统 B类 $\frac{1.0}{\sqrt[]{3}} = 0.58$
合成不确定度 $\sqrt[]{u_{1}^{2} + u_{2}^{2}} = 1.55$

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表 4 强迫对流区域的相关参数随发射率的变化

Table 4. Variation of relative parameters with emissivity in the forced convection region

发射率 $T_{h} / K$ $T_{l} / K$ $Δ q$ /（ $W / m^{2}$ ） $K_{t o t} /$ $(W / (m^{2} \cdot K))$ ）

0.3 619.0 478.4 2 976.6 21.2
0.4 621.8 483.7 3 055.8 22.1
0.5 624.8 489.4 3 141.0 23.2
0.6 627.7 495.1 3 225.8 24.3
0.7 631.0 501.2 3 317.8 25.6
0.8 634.4 507.5 3 413.1 26.9

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参考文献(25)

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涡轮机匣热辐射⁃对流耦合换热特性数值计算与实验测试

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210529

作者简介:
陈皓（1988-），男，工程师，主要从事航空发动机热分析的研究。

通讯作者:
刘向雷（1989-），男，教授、博士生导师，博士，主要从事航空航天器热推进与热管理以及先进储能技术的研究。E⁃mail：xliu@nuaa.edu.cn

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Numerical calculation and experimental test of heat radiation⁃ convection coupling heat transfer characteristics of turbine casing

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目录

孔道名称	尺寸/mm	个数
孔A	34（直径）	10
孔B	4（直径）	20
孔C	$2$ （直径）	20
孔D	7 $\times$ 1（长×宽）	20

不确定度		不确定度来源	不确定度评定方式	标准不确定度/K
标准不确定度	$u_{1}$	热电偶	B类	$\frac{2.5}{\sqrt[]{3}} = 1.44$
标准不确定度	$u_{2}$	数据采集系统	B类	$\frac{1.0}{\sqrt[]{3}} = 0.58$
合成不确定度				$\sqrt[]{u_{1}^{2} + u_{2}^{2}} = 1.55$

发射率	$T_{h} / K$	$T_{l} / K$	$Δ q$ /（ $W / m^{2}$ ）	$K_{t o t} /$ $(W / (m^{2} \cdot K))$ ）
0.3	619.0	478.4	2 976.6	21.2
0.4	621.8	483.7	3 055.8	22.1
0.5	624.8	489.4	3 141.0	23.2
0.6	627.7	495.1	3 225.8	24.3
0.7	631.0	501.2	3 317.8	25.6
0.8	634.4	507.5	3 413.1	26.9

工况编号	进口流量/（kg/s）	内壁面加热温度/K	进口平均温度/K
1	0.07	600	285.7
2	0.07	700	287.4
3	0.1	600	285.6
4	0.1	700	287.8

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涡轮机匣热辐射⁃对流耦合换热特性数值计算与实验测试

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210529

作者简介: 陈皓（1988-），男，工程师，主要从事航空发动机热分析的研究。

通讯作者: 刘向雷（1989-），男，教授、博士生导师，博士，主要从事航空航天器热推进与热管理以及先进储能技术的研究。E⁃mail：xliu@nuaa.edu.cn

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Numerical calculation and experimental test of heat radiation⁃ convection coupling heat transfer characteristics of turbine casing

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作者简介:
陈皓（1988-），男，工程师，主要从事航空发动机热分析的研究。

通讯作者:
刘向雷（1989-），男，教授、博士生导师，博士，主要从事航空航天器热推进与热管理以及先进储能技术的研究。E⁃mail：xliu@nuaa.edu.cn