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1、 热能与动力工程专业课设说明书 第29页 前言旋转换热实验对于航空发动机涡轮叶片换热研究具有重要的意义。同常见的换热实验相比旋转换热实验具有一系列独有的特点：采集数据量大、对数据实时性要求比较高、需要同时测量和处理旋转区和静止区实验数据。此外，在旋转换热实验的测试中需要解决的两大难题是：(1)传感器的安置方式；(2)测量数据从旋转件到静止仪器的传输问题。因此，搭建一个稳定的试验台系统是关系到实验成败的关键因素。为了达到旋转换热实验测试目的，本文介绍了一种旋转换热实验台。该旋转换热实验台以发动机涡轮冷却旋转部件旋转叶片为对象，该试验台能够对旋转换热进行实验研究。目录一、设计任务书3二、实验原理4
2、1、试验目的：42、公式推导：4三、试验台总体设计51.试验台总体设计图52、传动机构53、引线及外设机构64、旋转实验件温度和压力测量75、试验件机构96、供气系统及进气机构11四、相关的设计计算131、电动机的选择132、传动系统的运动和动力参数143、带传动的设计计算154、轴的设计计算175、轴承的设计与校核236、键的设计计算24五、参考文献26六、个人总结28一、设计任务书1、设计题目：旋转换热试验台2、设计背景：（1）题目简述：试验件随轴由电动机带动，皮带传动旋转，试验件上焊接有若干个电热偶通过导线将热信号转为电信号导入轴的另一端，利用转静转换装置将其传输到地面的静止测试设备上；
3、用电加热来对试验件进行加热；在另外一侧，加入冷气加以冷却。（2）使用状况：生产批量为1台；动力源为三相交流电380/220V，电机单向转动，载荷较平稳；使用期限为5年，每年工作300天，每天工作8小时；检修期为三年大修。（3）生产状况：生产厂具有加工6、7级精度工件的能力。3、已知参数：试验台回转直径1.2米；最大电加热功率1500W；冷气流量0.3kg/s；冷气压力6bar；最大旋转雷诺数；电机功率20KW；4、设计任务：（1）设计总体结构方案，完成整体试验台的装配图。（2）设计主要零件，完成零件工作图。（3）编写设计说明书。二、实验原理1、试验目的：在旋转换热试验台上得到旋转工况下的Nu、
4、Re、Gr、Rew、Cf五个无量纲参数随流量变化的关系。2、公式推导： 核心公式： ， 相对关系： ， ，（）， 由此可以拟合出实验曲线：故需 （其中，d为特征直径，取U型通道面积特征直径：）三、试验台总体设计1.试验台总体设计图旋转换热试验台简介旋转换热试验台是为了开展各种旋转换热实验而专门设计的实验平台。典型的旋转换热试验台应包括如图1所示的几个主要部分：供气系统、电动机、动一静密封装置、被测实验件、电加热装置、传感器放置区、数据采集装置、滑环引电器等。试验件配 重带传动信号发射器滑环引电器进气引气机构 传动机构 试验件机构 引线及外设结构 法兰盘法兰盘2、传动机构【1】带传动 根据带的截
5、面形状，带传动可分为平型带、V型带传动、多楔带传动、同步带传动。 平型带：结构简单、加工方便，适用于中心距级较大的场合。 V型带：承载能力大，结构紧凑，应用广泛。 圆型带：传递功率小，常用于仪器和家用机械中。 多楔带：常用于传递功率大，又要求结构紧凑的场合。 根据试验台要求，选取V型带。带传动优点是传动平稳、噪声小、可缓和冲击和振动；当过载时，带在带轮上打滑，对其他零件有安全保护作用；结构简单，制造、安装和维护方便，成本较低。选取窄V带，可使结构紧凑，其成本比普通V带低20%40%。【2】变速机构电机的变频调速可以满足实验件转速在01500r/min连续变化。【3】转速测量磁电式转速测量仪【4
6、】传动系统的运动和动力参数 计算总传动比： 【5】轴承润滑轴承采用飞溅润滑。【6】电机选择 选择Y160L-2型号的直流电机，额定功率是18.5kw，满载转速是2930r/min。【7】补充说明 3、引线及外设机构【1】电加热导线引入装置为避免交流电产生的电磁效应，我们选用了直流电机，再通过滑环引电器供给试验件。引电器主要由电刷组件，组合支架，滑环体等组成。电刷组件采用金基合金丝加工成型，经粘合一整体，电刷呈“”型并与相应的滑环槽道对称双接触，借以电刷丝的弹性压力与环槽滑动接触来传递电流。【2】密封腔箱体分段试验台上使用的箱体式上下分半式，满足了可拆性的要求。箱体上有可视窗，方便工作时观察试验
7、件状况。【3】石墨封严在蓖齿和石墨封严两种常见方式中选择了石墨，一是可拆性的设计弥补了石墨更换相对频繁的缺点，此外蓖齿封气效果不及石墨并且精度要求比石墨高，所以这里选择了石墨封严。【4】轴承润滑等同于传动机构，油脂润滑，装置简单。【5】信号接收发射装置在高速数据传输中,常采用无线电数据传输和光电数据传输方式。毫伏级的弱电测试信号可以通过无线电传输到地面接受器，这样结构简单避免的用选通器和刷环带来的结构上的复杂性，而且提高了信号的信噪比。 本装置采用感应电源主机将高品大功率电能送入静止线圈，经空间电磁感应传入旋转线圈，再经适当处理后，变成直流稳压电源，供发射机传感器使用。这样的供电方式取消了供电
8、刷环，确保了发射机能长期稳定工作。 整个测温系统分为静止区和旋转区。旋转区主要有温度信号转换系统，温度信号及时钟信号发射系统和电源系统；静止区包括放大器、无线信号接收机、感应电源、数据采集卡和数据处理计算机。4、旋转实验件温度和压力测量【1】被测对象分析本文根据某型航空发动机涡轮叶片内部蛇形通道，按照相似原则设计一横截面为方形的U型通道。将U型通道固定在旋转实验件的一端，在实验件的另一端安置一个配重，以保持被测u型通道旋转的平衡性。气流从实验件的中心轴引入，从U型通道的一端进入，从另一端流出。实验需要实时测量该u型通道在旋转状态下其内部各个截面处的温度和部分截面处压力分布数据。【2】传感器选择
9、与安置对于旋转件如涡轮叶片来说，其表面的温度测量通常有三种方法：热电偶法、显色涂料法、红外高温测量法。这三种方法各有优缺点：热电偶法能够保证很高的精确度，但是缺点是不可能在一片测温区域安置过多的热电偶测点，过多的测点会影响叶片材料的均匀性；显色涂料法虽然应用起来很简单，但是其温度测量结果的准确度满足不了热传导分析的要求，只能用作定性温度测量；红外高温测量法的精确度和热电偶法相当，其优势是适合测量叶片的某些需要知道温度场详细分布信息的非接触测量区域，缺点是其设备和校准都比热电偶复杂。由于实验被测对象对温度测点要求不多，选用热电偶法来测量完全可行。取u型通道进出口直通道段共20个截面，在每个截面四
10、个壁面的背后布置4个温度测点。转弯段共2个截面，有6个测点，再加上进出口2个测点，整个u形通道内温度测点为88个。实验中对U型通道内部气流的加热温度变化范围不大，为0100，选用极线径较小(0.3mm)的T型热电偶(正常温度200)足以满足要求。实验被测对象压力测点共有10个，进出口2个，通道中段共8个。压力信号通过安装在通道内部的压力导管传出，从旋转轴心穿过，到达安装在取压盘内部的压力传感器。所有温度和压力信号均从被测U型通道外壁面引出，通过轴心传输口，最后到达遥测仪，并焊接在遥测仪的信号连接板上。【3】旋转区到静止区的数据传输旋转区到静止区的数据传输通过旋转遥测仪装置来实现，该装置和实验件
11、装在同一轴上，随实验件一起高速旋转，遥测仪通过信号连接板将温度和压力传感器的信号引入内部，进行信号调节、串并转换后将数据进行频率调制，将调制信号放大后通过旋转遥测仪外壳上的三路环形天线(一路同步信号、一路温度信号、一路压力信号)发射出去。固定在静止端的三路接收天线收到信号并经前置放大器传至遥测接收机，经滤波、解调和放大处理后得到如图6所示的三路串行信号。其中，对温度信号，在串行信号中加入温度零基准值和温度标定值，以这两个值之差作为温度的计算基准；冷端温度补偿电路输出冷端温补值也插入到串行信号中，通过它来计算各路温度的准确值。对压力信号，在串行信号中加入压力零基准值和压力标定值，以这两个值之差作
12、为压力的计算基准。为了采集这三路串行信号，选用带FIFO缓存和自动通道扫描功能的高速数据采集卡。本系统选用研华公司生产的PCI一1711数据采集卡。5、试验件机构【1】试验件结构 本实验台采用拼合的方式模拟U型通道，材料选用不锈钢，用两块中空的不锈钢柱中间加一个垫块对拼，组成了实验所需要的U型通道。钢柱内腔为边长14mm的正方形，四壁每10mm有一个布置热电偶的孔，以该热电偶测出的温度做为该块面积上的平均值，得到的对流换热系数也为实验段平均对流换热系数，若需知道局部对流换热系数，则只需将公式中的壁温换成局部壁温即可。另外，在气端和出气口各布置一个热电偶，用于测量进出口气温，以便求 热电偶的选择
13、S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点，但不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。E型热电偶热电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最
14、，但是热电势均匀性较差。J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。综上所述，经过各方面考虑决定：热电偶材料选择1级K型热电偶，使用温度0400，允许误差为.6（K型（镍铬镍硅）热电偶在廉价金属热电偶中测温范围最宽（-2001100），温度毫伏特性接近线性，灵敏、热电势比S型热电偶大45倍，而且抗氧化性强。） 所有热电偶的连线在U型通道外面合并从试验件底板的引线孔引出来后与随主轴一起旋转的温度信号发射系统相连接。 【2】进气结构 U型通道内的换热冷气从底部进入，外部
15、的气源由主轴的内腔引进，试验件下方的轴的中心开孔并用密封软管与连接在试验件底板下的进气整流装置连接，气流经过这样一条气路，经由整流管进入到U型通道内部，再从整流管旁的出气口出来。【3】加热装置 采用电热丝加热的方式，材料为镍铬丝，主要成分是Cr20Ni80，线径为0.29mm，截面积0.06605mm，每米电阻为16.50/m（20摄氏度时），元件最高使用温度为1200摄氏度。为了保证加热均匀，将电热丝固定在板上，绕在每个热电偶布点的周围，形成一个加热板，保证了每个布点的热流密度相等。通道的四面外壁均开有槽，加热板用短螺丝钉安装在上面。电热丝的供电用主轴右侧的滑环引电器来实现动静转换。预设电流1A，总功率85.5W，小于允许的1500W，根据以往经验预估对流换热系数h为30左右，预计温
