燃气轮机透平转静盘腔内流动与传热研究进展

转静系盘腔是燃气轮机二次空气系统中的重要组成部分,盘腔内流动和传热特性对整机安全稳定运行十分重要。随着燃气透平进口温度的不断提升,对透平冷却设计的要求不断提高,透平盘腔流动换热特性研究也越来越受关注。研究人员从流动与换热两个方面对转静系盘腔进行实验测量和数值模拟研究,形成相对比较成熟的研究体系。总结近年来燃气透平转静盘腔流动传热及冷却的相关研究进展,根据结构的不同分别对中心进气和预旋进气转静系盘腔及转静系盘腔的轮缘密封进行介绍,分析3种不同盘腔结构内部流动型态,介绍了预旋系统结构和轮缘密封结构对盘腔内流动传热特性影响的相关实验与数值研究现状。最后,基于当前研究热点和发展趋势,总结并展望了转静系盘腔未来研究的发展方向。

具有轴向温差的封闭转静系盘腔流动和换热特性研究

采用数值模拟探究了具有轴向温差下封闭转静系盘腔的流动和换热特性。通过改变热罗斯比数,探究不同工况下盘腔的流动结构、温度分布以及转静盘努塞尔数的径向分布规律。结果表明:具有轴向温差的封闭转静系盘腔与等温封闭转静系盘腔的基本流动结构一致,属于典型的Batchelor流型;与等温封闭转静系盘腔相比,核心区内无量纲周向速度增大,且随着热罗斯比数的增加核心区无量纲周向速度逐渐增加、转静盘边界层内流体的无量纲周向速度也增加;具有轴向温差下,盘腔的温度沿径向逐渐降低,沿轴向先降低、经过核心区温度保持不变、靠近转盘侧继续降低;在热罗斯比数一定时,转静盘的努塞尔数沿径向逐渐增大,随着热罗斯比数的增加,转静盘的努塞尔数有所减小。

空气系统转静腔室轴向力计算与试验研究

燃气轮机转子的轴向推力是燃机总体设计的重要指标之一。燃机转子轴向推力必须保持在一个合适的载荷范围内,即作用在轴承上的轴向推力大小合适且不换向。因此,对空气系统转静腔室轴向力展开计算与试验研究,开展空气密封系统流体网络计算,揭示转-静盘腔气体轴向力产生机理,将转-静盘腔气动推力与转子支承系统解耦,提出一种转-静盘腔气动轴向推力的直接动态测试方法,搭建了转-静盘腔轴向力机理试验台,开展不同压差与不同转速下的转-静盘腔轴向力测试,并利用理论计算与仿真计算对试验结果进行验证,结果表明轴向力直接测试方法准确、可靠。以上研究结果对揭示燃气轮机转-静盘腔轴向力产生机理,明确影响燃机高压转子轴向力大小与方向的关键因素具有重要意义。

预旋进气位置对转静盘腔换热影响的数值研究

对具有不同预旋进气位置的转静盘腔内的换热进行了数值模拟.在进气流量恒定的条件下,改变预旋孔在静盘上的径向位置,研究了旋转雷诺数、预旋角、转静盘间距等参数对进出口气流的无量纲总温降和转盘换热效果的影响.研究表明:旋转雷诺数的增大和转静盘间距的减小都能够增强气流对转盘的换热效果;当预旋孔的径向位置增大时,无量纲总温降和转盘表面的平均努塞尔数都是先增大后减小,预旋孔存在一个最优的径向位置.

高位预旋进气转静盘腔换热实验

将某型发动机的涡轮盘腔结构简化成高位预旋进气的转静盘腔模型,结合热色液晶先进测温显示技术,通过实验的方法研究了转静盘间距、进气流量、旋转雷诺数以及旋流比等参数的变化对冷气降温效果和转盘换热效果的影响.实验结果表明:高位预旋进气对转盘外缘的冷却效果较好,转盘上的温度分布呈现为同心圆形状;随着旋转雷诺数和转静盘间距的增大或者进气流量的减小,冷气的总温降减小,气流对转盘的换热效果变差.

封闭转静盘腔中紊流的数值模拟

对一个旋转盘腔的流场进行了数值计算研究。该盘腔由一个旋转盘 ,一个静止盘及静止的外围屏组成。在盘腔的核心区采用标准 k-ε模型 ,在近壁区分别采用了两种低雷诺数紊流模型 ,即 (1 )单方程模型和(2 ) Launder-Sharma低雷诺数 k-ε模型 ,并且在第二个模型中考虑了固体旋转引起的耗散率降低的修正。

低位预旋进气转静系盘腔流动特性研究

采用实验和数值模拟的方法对低位预旋进气转静系盘腔的流动特性进行研究,考察了流量与动盘转速变化对腔室内流动的影响,结果表明腔内径向静压差随流量增大而增大,随转速升高而增大;引入腔内有效角动量的概念,用角动量系数表征其与盘腔入口角动量之比,通过分析来流角动量与盘面转矩的相对大小,推导得到影响角动量系数的两个主要无量纲参数为修正的湍流流动参数与预旋来流雷诺数;对于给定结构形式的预旋系统,当改变转速时,角动量系数随修正湍流流动参数增大而减小,当修正的湍流流动参数大于0.0646时,角动量系数变化缓慢,腔内有效角动量约为入口角动量的70%~90%;当改变来流速度时,角动量系数随修正湍流流动参数增大呈现先减小后增大的变化趋势.

轴向进气位置对转静盘腔传热影响的分析

本文对具有不同轴向进气位置的两个转静盘腔的流动和传热进了数值模拟。这两个盘腔除进气位置不同外,具有相同的几何结构,进气流量及温度边界条件。在盘腔的核心区采用标准k-ε紊流模型,近壁区采用单方程模型。求解并分析了包括流体域,固体域的整体温度分布以及流固界面上的努塞尔数分布。

冷却孔布置对透平转静腔室性能影响的数值研究

采用SST湍流模型数值研究了透平第二级转、静腔室的流动与封严特性,分析了冷却孔布置对腔室内的流动、冷却效率以及主流燃气入侵特性的影响。研究表明:冷却孔的位置对上游腔室内的流动影响较大,对下游腔室基本无影响;冷却孔距离上游越近,上游腔室的旋流比越大,级间密封进口的旋流比越小,密封进、出口压比越小,相应的流过级间密封的质量流量越小,上游轮缘密封的燃气入侵量越小,上游腔室转、静壁面的冷却效率就越大;下游轮缘密封出流的旋流比越小,相应的主流通道的流动损失越大,但冷却孔位置对下游腔室内的旋流比和壁面冷却效率的影响很小;随着冷却空气流量的增加,3种冷却孔布置下上游腔室壁面冷却效率的差值减小。

不同进口条件下向心流转静系盘腔流动特性研究

在典型中小型航空发动机空气系统中,用于高压涡轮冷却、封严的空气一般需要经过离心压气机叶轮背腔,因此掌握以离心压气机叶轮背腔为代表的向心入流转静系盘腔内流动特点及压力分布是保证空气系统各项功能实现的关键。采用数值模拟方法对带有向心入流的转静系盘腔流动开展研究,研究不同来流条件下不同间距比的转静系盘腔流动特点及盘腔内压力分布。结果表明:在间距比G=0.01~0.2内,不同进口条件下盘腔内的流动均为Batchelor流型,即转盘与静盘具有独立边界层,边界层之间为核心区;当径向罗斯比数远小于1时,在核心区内流动满足径向平衡方程,此时盘腔内旋转比分布决定了盘腔内压力分布;对于满足径向平衡方程的此类盘腔,盘腔内流动由进口旋转比β_0、紊流参数λ_T、间距比G决定;进一步的,得到了不同β_0,λ_T,G下盘腔出口旋转比及核心区内旋转比变化规律,分析发现小间距比工况下核心区内旋转比满足5/7幂指数关系;大间距比工况下旋转比满足修正5/7幂指数关系,通过得到的旋转比关联式可以计算出盘腔内的压力分布。

高转速转静盘腔流动换热相似性数值研究

为了得到高转速转静盘腔流动换热实验中的相似准则,在定几何、变物性、可压缩和有耗散的情况下,对转静盘腔中的控制方程进行无量纲化,得到了除无量纲位置外的8个无量纲准则数。并以高转速转静盘腔模型为基础,采用数值方法对影响发动机工况(高温)和实验工况(常温)换热相似性的主要无量纲准则数进行了研究。研究表明:流动雷诺数、旋转雷诺数、流动马赫数、旋转马赫数和转子表面温度与来流气流温度之比是影响换热相似性的主要因素。计算结果显示:在热边界条件相似时,仅需保证发动机状态与实验状态的雷诺数相等就可保证局部努塞尔数相同;仅需保证发动机状态与实验状态的马赫数相等就可保证绝热壁温分布相同;但只有保证实验状态和发动机状态的雷诺数和马赫数都相等时,无量纲换热量才保持一致。

流量比对高位预旋进气涡轮转静盘腔换热影响的数值研究

为提高冷气与涡轮盘的换热效果,针对高位预旋30°进气的转静腔耦合涡轮盘系统进行了数值模拟,研究了不同转静腔入口流量比率和转速对系统换热效果的影响,并对涡轮盘壁面平均努塞尔数Nu、盘体最高温度、盘体温度均匀性进行了分析。结果表明:转速为1×10^(4)r/min时,随着转静腔1和2的入口流量比率P从1增加到6,左壁面Nu稍有上升,右壁面Nu先增后减,在P=3时最大;盘体最高温度降低,且P<3时降幅较大,之后较小。盘体温度均匀性受P影响较小,P>2后,左右两侧径向温度均匀性几乎一致,轴向温度均匀性均优于径向,盘缘处轴向温度均匀性最差,越靠近轴心均匀性越好。在转速为6×10^(3)~1.2×10^(4)r/min时,随转速增大,系统换热效果增强。当转速<1×10;r/min时,随P增大,冷气与涡轮盘之间换热不断改善;转速>1×10^(4)r/min后,P在3附近综合换热效果较好。

经静脉埋藏式三腔起搏心脏转复除颤器的临床应用

探讨经静脉埋藏式三腔起搏心脏转复除颤器 (BVP ICD)的临床应用。病例入选标准 :①缺血性心脏病、扩张性心肌病合并充血性心力衰竭。②左室射血分数 <0 .35。③QRS波时限 >130ms。④ 2 4h动态心电图、临床心电监护、腔内电生理检查中 ,任一项记录到明确室性心动过速 (VT)或心室颤动 (VF)。采用经锁骨下静脉和头静脉 ,分别置入右室电极导管到右室 ,右房电极导管到右心耳 ,左室电极经冠状静脉窦到冠状静脉后侧支 ,其中 1例为经静脉埋藏三腔双室起搏器 (BVP)升级为BVP ICD。结果 :双室起搏阈值 1.7± 0 .7V ,R波幅度 10 .3± 4mV ,双室电极阻抗 896 .2± 82Ω。4例先后 2次采用电击T波诱发出VT或VF ,并除颤成功。 3例因心功能差仅诱发 1次并除颤成功。最低有效除颤能量 2例 11J ,5例 2 0～ 2 1J ,手术时间 12 9.2 8± 4 7.3min。 7例随访 3～ 12个月 ,心功能改善 1～ 2级。 2例分别各有 1例除颤事件记录 ,7例全部存活。结论 :BVP ICD临床疗效较好 ,但设定首次电击能量时不宜太小 ,力争尽快转复心律 ,以策安全。慎用快速心室起搏 (Ramp)终止VT。

接收孔周向倾角对预旋转静盘腔流动特性的影响

针对燃机透平叶片供气系统中的预旋转静盘腔,为了研究预旋转静盘腔的流动特性,建立了预旋转静盘腔计算模型,在3种预旋比(βp=0.48,0.94,1.41)和3种喷嘴径向位置(r p/r b=0.8,0.9,1.0)下,数值研究了6种接收孔周向倾角(α=70°,90°,100°,110°,120°,135°)对预旋转静盘腔流动特性的影响,分析了接收孔周向倾角对流场分布及绝热预旋效率和对接收孔流量系数的影响规律。研究结果表明:当r p/r b=0.8时,接收孔周向倾角越大,接收孔流量系数值就越大,而且大预旋比下的增强效果显著,但对绝热预旋效率的影响很小,预旋比一定时,每种喷嘴径向位置下均存在最优接收孔周向倾角,此时的绝热预旋效率和接收孔流量系数值达到最大,冷气流过接收孔时的流动损失达到最小,温降值达到最大。

对转涡轮盘腔内各参数变化对转盘壁面摩擦力矩的影响

对转涡轮盘腔内壁面摩擦力矩的大小直接影响盘腔内气体流动结构和换热效率,进而影响对转涡轮发动机的性能。应用RNG k-ε湍流模型对对转涡轮盘腔内气体流动进行了数值模拟,研究了对转涡轮盘腔间距、中心进气流量、转盘转速的变化对盘腔内壁面摩擦力矩的影响。数值模拟结果表明,盘腔间距在计算范围内的变化对转盘壁面摩擦力矩的影响不明显;转盘壁面摩擦力矩随中心进气流量和转盘转速的增大而增大。

典型进气函数下转静盘腔瞬态响应特性研究

为研究航空发动机转静盘腔非稳态流动的瞬态响应特性,建立了转静盘腔CFD计算模型,采用基于Fluent用户自定义函数(UDF)编程的非稳态数值计算方法,分别研究了进口压力以阶跃函数、斜坡函数和正弦函数变化时转静盘腔的瞬态响应特性,并提出了相应的瞬态响应特性评价指标。结果表明:不同进气函数下的转静盘腔瞬态响应特性存在明显差异,同一进气函数下盘腔中各流动参数的瞬态响应存在不同程度的滞后。阶跃函数的无量纲跃升幅值由1.025变化到1.3时,盘腔平均总压的响应时间增加了3369.2%;斜坡函数的斜坡时间由0.01s增加到0.16s时,盘腔平均总压的响应时间增加了163.9%;而正弦函数的角速度由22rad/s变化到55rad/s时,盘腔平均总压的响应时间缩短了45.6%。不同进气函数下转静盘腔平均总温随时间的变化曲线均呈现出明显的过冲现象,其峰值时间和超调量变化规律与进气函数类型密切相关。

转静盘腔流动瞬态响应特性研究

以航空发动机转静盘腔内非稳态流动为研究对象,基于用户自定义函数编程设置进口压力按斜坡函数变化时的非稳态边界条件,利用数值模拟方法,在滞后效应、流场演化和物性参数方面,研究了不同无量纲跃升幅值下转静盘腔流动瞬态响应机理。结果表明:无量纲跃升幅值由1.05增至1.2,盘腔内部的当地响应时间延长了81.1%,相对总温的超调量增加了157.0%,其峰值时间增加了31.3%,且进口压力波动的传播方向总是由进口指向出口;瞬态过程中,转静盘腔的容积效应和旋转效应共同作用使出口流量明显滞后进口流量,且其滞留质量流量与相对总温的超调现象密切相关;冲击射流、旋转贴壁射流和静子壁面侧的涡系构成了盘腔流场演化的主体,无量纲跃升幅值越大,流场演化过程越剧烈,响应时间越长;声速和热扩散率与盘腔响应速度密切相关。

心力衰竭的中医证型分类及探讨经静脉埋藏式三腔起搏心脏转复除颤器(BVP-ICD)的临床应用

目的探讨经静脉埋藏式三腔起搏心脏转复除颤器(BVP-ICD)在扩心病心衰室速室颤合并心力衰竭病患者中的应用。方法选取10例扩心病心衰室速室颤合并心力衰竭的患者为研究对象,患者经超声心电图诊断为QRS波时限>130ms,左室射血分数<0.35,且经超声心动图可明确诊断为心室颤动(VF)或心动过速(VT)。所有患者均经头静脉及锁骨下静脉,分别于右室及右心耳中置入右室电极导管及右房电极导管,同时于冠状静脉后侧支置入左室电极。结果双室电极阻抗为784.5~987.6Ω,平均阻抗为(896.3±78.6)Ω,R波幅度为9.6~13.8mV,平均幅度为(10.8±4.2)mV,双室起搏阈值为0.78~2.2V,平均阈值为(1.79±0.73)V,除颤能量为11~25J,平均有效除颤为(18.9±4.8)J,手术时间为118.9~135.8min,平均手术时间为(128.5±22.9)min。10例患者中1次性除颤成功7例,2次除颤成功3例,所有患者均全部除颤成功。术后对所有患者随访12个月,其中心功能改善Ⅰ级2例,心功能改善Ⅱ级4例,心功能改善Ⅲ级4例,与置入前相比差异有统计学意义(U=5.982,P=0.000),随访期间无患者死亡。结论 BVP-ICD能有效提高扩心病心衰室速室颤合并心力衰竭患者除颤成功率,提高患者生存质量,但首次设定电极能量时不应设置太低,同时应尽快对患者完成转复心律的工作,保证除颤安全。