● 摘要
在航空发动机的内冷系统中，由压气机抽取的高压空气首先流经涡轮盘腔并与盘面换热，之后进入叶片内冷通道继续冷却该热端部件，因此对涡轮盘腔内的流动和换热规律的研究对于涡轮盘的热应力分析以及叶片冷却通道内的流动和换热研究具有重要的意义。实际盘腔的几何形状（其中包括本文所研究的进口条件）对盘腔内部的流动和换热规律具有重要影响，不同的几何形状使得盘腔内的流动规律必然不同，因而其换热规律也存在差异。本文就是针对具有非居中狭缝进口的旋转盘腔（A结构）和具有交叉双进口的旋转盘腔（B结构）展开研究，两盘腔的几何形状十分接近真实发动机盘腔的结构，因而本文的研究结论对指导实际发动机的研制和优化更具现实意义。
在本文的实验研究中，采用PIV设备测量了两盘腔中平面上气流的切向速度，采用压力传感器测量了A结构左侧盘面和B结构右侧盘面的表压分布以及A结构的总压损失，采用热电偶测量了两盘腔左右盘面的温度分布，采用实验室自制的传感器测量了A结构左侧盘面和B结构右侧盘面的对流换热系数分布。在实验研究的基础上，对B结构的流动和换热又进行了数值模拟，并借助数值模拟软件针对B结构中存在的三温度问题进行了探索性研究。在研究工况的设置上，采用以湍流参数为主要控制参数，并结合旋转雷诺数的方法，主要考察了湍流参数对盘腔内流动规律的影响。
对A结构，研究结果表明湍流参数对中平面上旋流系数分布和盘面压力系数分布曲线的形状具有主要的控制作用；旋流系数随湍流参数的增大而减小，随旋转雷诺数的变化依湍流参数值而定；压力系数随湍流参数的增大而增大，随旋转雷诺数的增大而减小；盘腔的阻力系数随着湍流参数的增大而增大，随着旋转雷诺数的增大而减小；局部努塞尔数和平均努塞尔数随湍流参数和旋转雷诺数的增大而增大。对B结构，研究结果表明两进口来流总湍流参数对盘腔内的流动结构、旋流系数和压力系数分布曲线的形状等流动规律都具有主要的控制作用；盘腔内分为高半径进口射流影响区和低半径进口来流影响区，两进口来流使得盘腔内的流动规律，特别是换热规律异常复杂。无论是A结构还是B结构，研究结果表明以式λT=CW/Reω0.8定义的湍流参数不是控制盘腔内流动规律的唯一参数，每个盘腔结构可能有自己湍流参数的定义式。
对旋转盘腔的三温度问题，研究结果表明给定几何结构的盘腔，盘面绝热壁温分布的主要影响因素是来流的湍流参数λT、旋转雷诺数Reω、高位进口气流的温度Tf,H*和低半径进口气流的温度Tf,L*；盘面绝热壁温的分布曲线分为高位射流影响区和低位来流影响区，上述四个影响因素对两区的影响规律不同；高位射流影响和低位来流影响区的分区位置rd可以认为仅与来流的湍流参数λT和旋转雷诺数Reω有关。本文通过对计算结果的分析，获得了分区位置rd和高低位进口来流各自影响区域内绝热壁温分布的计算式，以绝热壁温做为参考温度即可解决三温度问题。