蒸汽/空氣預(yù)旋系統(tǒng)溫降和流阻特性對(duì)比研究

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)。