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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
燃气入侵是指在燃气轮机的涡轮级中，外环主流高温燃气由于内外压力差经由轮缘封严侵入到内部转静盘腔中的现象。涡轮级中若发生燃气入侵，将导致盘腔过热，其使用寿命会大大减少。为阻止燃气入侵的发生，需要向盘腔内通入封严冷气。封严冷气过少，起不到封严作用；封严冷气过多，会降低燃气轮机整体效率。本文采用理论分析和数值模拟方法研究了燃气入侵发生的机理和规律，为设计合理的封严结构和合适的封严冷气量提供了理论依据和指导。从机理上来说，导致形成内外压力差进而发生燃气入侵的主要有两大因素：一是当主流燃气通过旋转动叶和静叶时在封严附近形成的三维非定常周向不均匀压力场，此压力场起主导作用的燃气入侵称为外环诱导燃气入侵（EI Ingress）；二是动盘的旋转效应，此效应起主导作用的燃气入侵称为旋转诱导燃气入侵（RI Ingress）。本文对这两类燃气入侵现象分别进行了研究。在理论研究部分，进一步发展了已有的孔板模型理论，得到了应用该理论中效率方程的方法，即通过使用极大似然估计方法整理实验数据，求得需要用于保证系统完全封严的统计学最优的最小封严冷气量及其他相关经验参数。随后通过该方法来整理已有的实验数据，得到了不同入侵形式与不同封严结构时的最小封严冷气量，并据此对相应盘腔封严效果进行了评估和比较。在数值计算部分，首先采用定常数值方法对轴向封严结构下的旋转诱导燃气入侵现象进行了研究。得到了在不同封严冷气量下盘腔压力和封严间隙处径向速度的变化规律。分别计算了基于质量和基于浓度定义的封严效率数据分布，通过三次样条插值得到了最小封严冷气量值，同时还应用极大似然估计方法整理了计算所得效率数据，所得理论曲线与数据吻合较好。在不同旋转雷诺数下，用压力参数法估算了最小封严冷气量，所得结果与公开发表的经验关系式一致。此外还发现封严间隙位于动静盘间隙中间时封严效果要优于其位于动盘一侧的情形。随后采用定常计算方法对轴向封严结构下的外环诱导燃气入侵进行了模拟，并结合理论模型对其发生机理进行了分析。计算模型有如下三个：小盘腔正常厚度封严模型；小盘腔薄厚度封严模型；大盘腔薄厚度封严模型。计算结果表明外环周向静压波峰与波谷的差值是燃气入侵的驱动力，且燃气入侵起始于外环压力相对较高区域。对于小盘腔正常厚度封严模型，盘腔系统在冷却流量很小的情况下即实现完全封严。对于小盘腔薄厚度封严模型，得到了更接近于真实状况的封严效率分布并用极大似然估计方法整理了计算所得效率数据。对于大盘腔薄厚度封严定常模型，将其计算结果与实验数据进行了比较：在无封严冷气工况下，模型所得外环周向静压分布和盘腔内旋转数与实验数据较为吻合，并且剪切应力输运（SST）湍流模型所得结果比Spalart-Allmaras（SA）湍流模型更为接近实验值；在有封严冷气的工况下，该定常模型高估了封严效率。在定常数值模拟结果的基础上，进一步采用了非定常计算方法研究了外环诱导燃气入侵，湍流模型为SST模型。几何模型亦采用了小盘腔和大盘腔模型，且均为正常厚度封严。计算结果表明，当静叶产生的波峰与动叶产生的波峰相遇时，发生最大的燃气入侵。与定常模型结果比较发现，非定常间隙涡的存在使得非定常模型能预测得到更接近于实验值的封严效率。此外，小盘腔正常厚度封严非定常模型与小盘腔薄厚度封严定常模型的封严效率结果较为接近，但后者所需时间不到前者的二十分之一。大盘腔模型的计算结果表明，在无封严冷气的工况下，计算所得外环压力分布趋势与实验结果一致，但周向压力差要略高于实验值。计算所得盘腔内旋转数结果也与实验值较为接近，但其最大值要略低于实验结果。在有封严冷气的工况下，此模型也高估了封严效率。对比大盘腔薄厚度定常模型的结果表明，低封严流量工况下后者的计算值与实验值更为接近，而高封严流量工况下前者的计算值与实验值更为接近。 |
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发表于 2022-7-26 22:56:34
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