管内组合转子转动特性实验

何立臣，杨卫民，关昌峰，阎华，刘由之



管内组合转子转动特性实验

何立臣，杨卫民，关昌峰，阎华，刘由之

（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

管内组合转子的转动特性是研究其强化传热及防垢阻垢特性的重要基础。为此，本文搭建转速测定实验台，采用光电式转速测定装置对螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子、小外径螺旋两叶片转子及螺旋三叶片转子在管内不同流量条件下以及不同轴向位置处的转速进行了测量，分析了转子的转动特性。测量结果表明：转子转速是由转子在管内所处轴向位置、管内流量、转子的导程、转子的外径以及转子的叶片数等因素共同决定的；转子转速均随管内流量的增加而增加，而且近似地呈线性变化；转子转速均沿管轴向的深入而递减；转子导程越大，转子转速越低；转子外径越小，转子转速越低；转子叶片数的增多只能在管前端很小的范围内使转速增大。最后，获得了4种转子在管内不同流量条件下以及不同轴向位置处的转速拟合关联式。

传热；组合转子；转动特性；拟合关联式

在当今能源短缺的大背景下，各个国家要想在经济社会发展中保持足够的竞争力，就必须走节能降耗的可持续发展之路。然而对于工业生产各个领域中广泛使用的换热设备，其换热效率低下所造成的能源浪费问题却越来越成为困扰企业乃至行业的突出问题，故节约能源、提高能源利用效率刻不容缓。

强化传热技术便是解决这一问题的有效途径。BERGLES[1-2]将强化传热技术分为有源强化传热技术及无源强化传热技术，其中无源强化传热技术除了流体流动所需能量之外不需要附加任何额外动力，因而得到广泛应用。无源强化传热技术又包括强化管及管内插入物两大类[3]。组合转子[4]是北京化工大学杨卫民教授于2005年提出的一种管内插入物，其具有强化传热及防垢阻垢的双重特性，故自提出以来便一直受到广泛的研究及关注。本文作者课题组对其强化传热机理[5]、流场分布特性[6-7]、强化传热特性[8]及防垢阻垢特性[9-10]等均进行了针对性地研究。组合转子的转动是其区别于静态混合器及涡流发生器等管内插入物的关键，对其转动特性的研究是分析其他问题的重要基础。因此，本文搭建转速测定实验台，利用光电式转速测定装置对组合转子在管内的转动特性开展研究。

1 组合转子工作原理

组合转子工作原理如图1所示。组合转子安装在转轴上，可绕转轴独立旋转，转子间由限位件限定轴向位置；挂件也安装在转轴上，同时被固定在测试管段的两端，从而实现整个组合转子串的固定。工作时，组合转子在流体的冲击下旋转，使得流体由层流转变为以螺旋流动为主的复杂流动，这种复杂流动强化了中心流体与管壁流体的质量交换，破坏了边界层，增强了流体的湍动程度，破坏了污垢生长条件，从而实现强化换热及防垢阻垢的效果。

图1 组合转子工作原理

1—转轴；2—挂件；3—转子；4—测试管段；5—限位件

2 组合转子转速测试系统

相比于电机及发动机的转轴、旋转机械的转子如压缩机转子、泵叶轮等，管内组合转子在水流冲击下的转速要低得多，其属于低转速机械，故本文搭建转速测定实验台，采用基于周期法测速原理的光电式转速测定装置对管内组合转子的转速进行测量。

2.1 转速测定实验台

转速测定实验台的简易流程如图2所示，其由泵、阀门、涡轮流量计、测试管段、水箱及附属管件构成循环回路，组合转子安装在测试管段内。实验过程中，通过阀门对循环回路中的流体流量进行控制，进而调节组合转子的转速，循环回路中的流体流量由涡轮流量计进行计量。测试管段选用规格40mm×3mm的有机玻璃透明管件。

图2 转速测定实验台

1—泵；2—水箱；3—阀门；4—涡轮流量计；5—测试管段

2.2 转速测定装置

光电式转速测定装置工作原理如图3所示，该装置由激光二极管、光敏电阻（传感器）、单片机（下位机）及PC机（上位机）组成。其中激光二极管和光敏电阻构成一对光偶，由激光二极管作为激光光源连续地发射激光，光敏电阻作为接收装置接收激光二极管所发射的激光，光敏电阻与一定阻值的电阻串联，当光敏电阻接收到不同强度的激光时其阻值会发生改变，从而其分压也会相应地变化，单片机上的模数转换器（ADC）便会读取其分压并将其转换成数字信号进而传送给PC机，PC机对接收到的数据进行处理、显示及存储。

激光二极管发射的激光波长为650nm（红光），能够轻易穿透有机玻璃透明管及水等介质，同时，使用激光作为光源时光敏电阻能轻易地进行光强识别，从而降低环境光的干扰。

转速测定装置如图4所示。工作时，激光二极管和光敏电阻置于透明管路的两侧，管内不透明转子在转动过程中会对激光二级管所发射的激光进行间歇性阻隔，因而光敏电阻所接收到的光强便会发生变化，从而由单片机采集相应的数据并传送到PC机进行处理，最终计算出管内组合转子的转 速值。

图3 转速测定装置工作原理

图4 转速测定装置

单片机驱动程序采用C语言编写，实现对数据的采集、转换及传送。PC上的转速测定工作界面如图5所示，其程序采用C#编写，可以实现对数据的计算处理、显示及存储。

图5 转速测定工作界面

2.3 实验用转子及转速计算公式

图6所示为本实验所采用的螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子、小外径螺旋两叶片转子及螺旋三叶片转子，其几何参数如表1所示。

转速的计算公式如式(1)。

式中，n为转子转速，r/s；Z为转子叶片数；为相邻两次脉冲信号的时间间隔，s。

表1 实验用转子的几何参数

3 转速测试结果与分析

3.1 转子转速沿管轴向变化关系

图7所示为管内流量v为30L/min时螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子、小外径螺旋两叶片转子及螺旋三叶片转子的转速沿管轴向变化关系。由图7可知，处于管内不同轴向位置处的转子转速值并不相同，轴向位置靠后的转子转速低于轴向位置靠前的转子转速，这是因为转子转动所需能量来源于水流，随着水流的流动以及不断地带动沿程的转子转动，水流的能量逐渐降低。从图中还可以看出，螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子及小外径螺旋两叶片转子的转速沿管轴向均呈非线性变化，而螺旋三叶片转子的转速沿管轴向近似地呈线性变化。

图7 转子转速沿管轴向变化关系

3.2 转子导程对转子转速的影响

图8所示为管内轴向位置L/L为0.5时螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子的转速随管内流量变化关系。由图8可知，螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子的转速均随管内流量的增加而增加，而且近似地呈线性变化。与螺旋两叶片转子相比，大导程螺旋两叶片转子的转速要低得多，说明随着转子导程的增大，转子的转速变小，这是因为转子导程越大，转子的扭曲程度越低，水流在冲击转子旋转的过程中作用在转子上的力就越小。从图8中还可以看出，管内流量越大时，两种不同导程的转子的转速差值就越明显。

3.3 转子外径对转子转速的影响

图9所示为管内轴向位置L/L为0.5时螺旋两叶片转子、小外径螺旋两叶片转子的转速随管内流量变化关系。由图9可知，与螺旋两叶片转子一样，小外径螺旋两叶片转子的转速也随管内流量的增加而增加，并且近似地呈线性变化。与螺旋两叶片转子相比，小外径螺旋两叶片转子的转速要稍低，说明随着转子外径的减小，转子的转速变低，这是因为转子外径越小，水流作用在转子上的面积越小，作用力也就越小。从图9中还可以看出，管内流量越大时，两种不同外径转子的转速差值也就 越大。

图8 不同导程转子的转速随管内流量变化关系

图9 不同外径转子的转速随管内流量变化关系

3.4 转子叶片数对转子转速的影响

图10所示为管内轴向位置L/L为0.5时螺旋两叶片转子、螺旋三叶片转子的转速随管内流量变化关系。由图10可知，与螺旋两叶片转子一样，螺旋三叶片转子的转速也随管内流量的增加而增加，并且近似地呈线性变化。结合图7及图10可知，在管的前端（L/L0.2），螺旋三叶片转子的转速要稍高于螺旋两叶片转子的转速，而过了前端之后，螺旋三叶片转子的转速便低于螺旋两叶片转子的转速，说明将转子的叶片数增多，仅仅能在管前端很小的范围内使转子转速增大，这是因为在转子叶片数增多的同时，转子的质量也随之增大，当在管的前端时，水流的能量较高，转子叶片数增多带来的转速增大的效应大于转子质量增大带来的转速降低的效应；当过了前端之后，水流的能量降低，转子叶片数增多带来的转速增大的效应便不及转子质量增大带来的转速降低的效应。

图10 不同叶片数转子的转速随管内流量变化关系

3.5 不同转子转速的拟合关联式

由以上分析可知，转子转速是由转子在管内所处轴向位置、管内流量、转子的导程、转子的外径以及转子的叶片数等因素共同决定的；在转子的几何参数中，转子的导程对转速影响较大，转子的外径及叶片数对转速的影响较小；同一几何参数转子的转速则只由管内流量大小v以及转子在管内所处轴向位置L/L两个因素决定。由于在实践中不可能对某一转子在任意轴向位置以及任意流量条件下的转速进行测量，所以只能选取几个有代表性的流量值和管内轴向位置处的转子转速进行测定，然后对其进行拟合，通过计算便可获得不同位置处任意流量条件下的转子转速，同时也可直观形象地了解转子转速变化规律。为此，本文对所测定的螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子、小外径螺旋两叶片转子及螺旋三叶片转子转速值进行拟合，拟合结果分别如图11～图14所示，并将拟合公式列于表2中。

图11 螺旋两叶片转子转速变化关系

图12 大导程螺旋两叶片转子转速变化关系

图13 小外径螺旋两叶片转子转速变化关系

图14 螺旋三叶片转子转速变化关系

表2 转子转速拟合关联式

4 结论

本文搭建转速测定实验台，采用光电式转速测定装置对螺旋两叶片转子、大导程螺旋两叶片转子、小外径螺旋两叶片转子及螺旋三叶片转子在管内不同流量条件下以及不同轴向位置处的转速进行了测量。测量结果表明：转子转速是由转子在管内所处轴向位置、管内流量、转子的导程、转子的外径以及转子的叶片数等因素共同决定的；在转子的几何参数中，转子的导程对转速影响较大，转子的外径及叶片数对转速的影响较小。转子转速均随管内流量的增大而增大，而且近似地呈线性变化；转子转速均沿管轴向的深入而递减；转子导程越大，转子转速越低；转子外径越小，转子转速越低；转子叶片数的增多只能在管前端很小的范围内使转速增大。

[1] BERGLES A E. Enhanced heat transfer: endless frontier，or mature and routine? [J]. Enhanced Heat Transfer，1999，6：79-88.

[2] BERGLES A E. ExHFT for fourth generation heat transfer technology[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26：335-344.

[3] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2006：499.

YANG S M，TAO W Q. Heat transfer[M]. 4th edition. Beijing：Higher Education Press，2006：499.

[4] 杨卫民，丁玉梅，耿立波，等. 转子式自清洁强化传热装置：2833494Y[P]. 2006-11-01.

YANG W M，DING Y M，GENG L B，et al. Rotor type self-cleaning enhanced heat transfer device：2833494Y[P]. 2006-11-01.

[5] 张震，杨卫民，关昌峰，等. 螺旋叶片转子强化传热机理分析[J]. 化工学报，2013，64（11）：3927-3932.

ZHANG Z，YANG W M，GUAN C F，et al. Analysis on heat transfer enhancement mechanism of helical blade rotor[J]. CIESC Journal，2013，64（11）: 3927-3932.

[6] 姜鹏，阎华，丁玉梅，等. 内置转子圆管内三维流动与传热数值模拟[J]. 中国机械工程，2013，24（8）：1052-1055.

JIANG P，YAN H，DING Y M，et al. 3D numerical simulation of fluid flow and heat transfer in rotor-inserted tube[J]. China Mechanical Engineering，2013，24（8）：1052-1055.

[7] 李月，丁玉梅，杨卫民. 内置转子组合式强化传热装置换热管内流体流动与传热数值模拟[J]. 石油化工，2009，38（9）：979-983.

LI Y，DING Y M，YANG W M. Numerical simulation of turbulent flow and heat transfer in heat exchange tube inserted with rotor-assembled strand[J]. Petrochemical Technology，2009，38（9）：979-983.

[8] 彭威，阎华，关昌峰，等. 内置组合转子换热管的综合传热性能[J]. 化工进展，2012，31（4）：749-753.

PENG W，YAN H，GUAN C F，et al. Experimental study on the heat transfer enhancement of tubes with rotor assembly inserts[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2012，31（4）：749-753.

[9] 姜鹏，阎华，关昌峰，等. 内置转子圆管内CaCO3污垢形成过程的数值模拟[J]. 北京化工大学学报（自然科学版），2013，40（3）： 1-5.

JIANG P，YAN H，GUAN C F，et al. Numerical simulation of the fouling process in a circular tube with inserted rotors[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology（Natural Science），2013，40（3）：1-5.

[10] 张震，关昌峰，何长江，等. 螺旋叶片转子强化管抗污垢性能的数值模拟[J]. 化工进展，2013，32（11）：2562-2568.

ZHANG Z，GUAN C F，HE C J，et al. Numerical studies on anti-dirt performance of the enhanced tube with helical blade rotors[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2013，32（11）：2562-2568.

Experimental study on rotational characteristics of assembled rotors

HE Lichen，YANG Weimin，GUAN Changfeng，YAN Hua，LIU Youzhi

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Rotational characteristics of assembled rotors in tube are the foundation to study its heat transfer enhancement and fouling-preventing performance. Thus，in this paper, the experiment apparatus was built，and rotational speeds of helical two-blade rotor，large-lead helical two-blade rotor，small-diameter helical two-blade rotor and helical three-blade rotor in different flow rates and different axial positions were measured using photoelectric tachometer to analyze the rotational characteristics of assembled rotors. The results showed that rotational speeds of rotors is determined by the factors of axial position of rotor in tube，flow rate in tube，lead of rotor，diameter of rotor，and blade number of rotor. Rotational speeds of the four types of rotors all increased with the increase of flow rate in tube and varied approximately linearly. Rotational speeds of the four types of rotors all decreased with the increase of axial position of rotor in tube. The larger the lead of rotor is，the lower the rotational speed is. The smaller the diameter of rotor is，the lower the rotational speed is. Rotational speeds of rotors can only be improved at a small range in the front of tube by increasing the blade number of rotors. Lastly, the fitting correlations of rotational speeds of the four types of rotors in different flow rates and different axial positions were acquired.

heat transfer；assembled rotors；rotational characteristic；fitting correlation

TK172

A

1000-6613（2017）10-3604-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0266

2017-02-22；

2017-05-08。

国家自然科学基金项目（51576012）。

何立臣（1988—），男，博士研究生，研究方向为换热设备强化传热。

阎华，讲师，研究方向为节能减排与强化传热技术。E-mail：yanhua999@vip.sina.com。