高进口预旋条件下迷宫密封转子动力特性实验研究

为获得高进口预旋条件下迷宫密封转子动力特性,阐明其气流激振失稳机制,本文基于西安交通大学动密封转子动力特性实验台,实验研究了高进口预旋条件下（预旋比μ₀>0.8）,压比以及转速对迷宫密封转子动力特性影响规律。实验测量了2种压比（π=3.0,4.0）、3种转速（n=3 000,6 000,12 000 r/min）下迷宫密封频率相关的转子动力特性系数。研究发现：高预旋条件下,迷宫密封交叉刚度始终为较大的正值,导致有效阻尼始终为负值,不利于转子系统稳定,容易诱发转子失稳;压比对迷宫密封转子动力特性影响显著,随压比增加,迷宫密封直接刚度幅值显著增大,交叉刚度始终为正值且幅值显著增大,有效阻尼明显降低;转速对迷宫密封转子动力特性影响较小,直接刚度、直接阻尼对转速变化不敏感,基本保持不变,交叉刚度随转速增加略微增加,进而导致有效阻尼略微减小。     

非均匀进汽时迷宫密封汽流激振动力特性的研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的URANS方程求解方法,研究了动、静叶干涉作用以及级间补汽导致的非均匀进汽温度和压力条件下叶顶迷宫密封汽流激振转子动力特性,计算分析了进汽预旋比为0.2、0.5、0.7时叶顶迷宫密封转子动力特性系数,并与均匀进汽温度和压力条件下迷宫密封转子动力特性系数进行了比较。研究结果表明:密封转子稳定性随进汽预旋比的增加而降低;非均匀和均匀进汽条件下迷宫密封腔室周向旋流强度和腔室压力分布的差异随进汽预旋比的增加而逐渐减小,2种进汽条件下密封转子动力特性系数之间的差异随进汽预旋比的增加而减小;与均匀进汽相比,进汽预旋比为0.2时非均匀进汽下迷宫密封交叉刚度至少降低82.7%,交叉阻尼至少增加30.7%;进汽预旋比为0.5时非均匀进汽下迷宫密封有效阻尼仅在涡动频率为50~100 Hz时较均匀进汽低8.4%~12.4%;进汽预旋比增加至0.7时,非均匀和均匀进汽条件下迷宫密封转子动力特性系数基本相同。显然,进汽预旋比较高时进汽均匀性对迷宫密封汽流激振转子动力特性系数的影响可以忽略。     

防旋板结构的迷宫密封转子动力特性研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常RANS方程,研究了高低两种预旋比下具有防旋板结构的迷宫密封气流激振转子动力特性。分析对比了在预旋比分别为0.13和1.32时无防旋板结构迷宫密封(Design 1)、带进口防旋板结构迷宫密封(Design 2)、在Design 2的基础上增加二级防旋板迷宫密封(Design 3)的平均周向速度、泄漏量、转子动力特性系数。数值模拟得到的Design 1的泄漏量和转子动力特性系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性。研究表明：高预旋比会导致Design 1的直接刚度和有效阻尼降低,并使直接阻尼与交叉刚度增加;预旋比为1.32时Design 2相对于Design 1能明显降低交叉刚度,且降幅达到63.3%～86.3%,Design 3相对于Design 2的交叉刚度降低了12.9%～39.4%;预旋比0.13时Design 2的交叉刚度小于0,Design 3的交叉刚度绝对值相对于Design 2增加了24.4%～153.0%;Design 2相对于Design 1在预旋比为1.32时有效阻尼项穿越频率从175.1 Hz降低到28.3...     

进口防旋板对孔型密封非定常气流激振特性的影响

为了展示透平机械密封系统设计中进口防旋板在改善密封转子动力特性和增强转子系统稳定性的止旋方面的性能,采用基于转子多频椭圆轨迹涡动模型和动网格技术的非定常数值方法,研究了进口防旋板对孔型密封非定常气流激振力和转子动力特性系数的影响,计算分析了进口预旋比分别为0和0.6时2种进口防旋板结构的孔型密封转子动力特性系数、非定常气流激振力和流场特性,并与实验结果进行了对比。研究表明:非定常数值方法能够准确预测与频率相关的孔型密封转子动力特性系数;进口预旋可显著减小孔型密封的有效阻尼、增大有效阻尼项的穿越频率,易诱发转子涡动失稳;进口防旋板能够有效减小孔型密封的进口旋流速度、孔型密封的交叉刚度和有效阻尼穿越频率,增大孔型密封的有效刚度和有效阻尼,进而提高转子系统的稳定性。     

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明：迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板...     

迷宫齿蘑菇形磨损时密封泄漏特性和转子动力特性系数研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的Unsteady Reynolds-Averaged NavierStokes(URANS)方程求解方法,研究了迷宫齿蘑菇形磨损对密封泄漏特性和气流激振转子动力特性的影响,计算分析了未磨损以及磨损间隙分别为0.4、0.5、0.6mm时的密封泄漏量,流场以及转子动力特性系数。结果表明:迷宫齿蘑菇形磨损使得密封间隙内缩流面积增加,导致迷宫密封泄漏量随磨损间隙增加而增加,且当磨损间隙大于0.4mm时,泄漏量随磨损间隙增加而线性增加;迷宫齿蘑菇形磨损增加了密封的直接刚度,降低了密封交叉刚度的大小以及直接阻尼,但当磨损间隙超过0.5mm时,直接阻尼不再发生改变;随着迷宫齿蘑菇形磨损间隙增加,迷宫密封有效阻尼降低,从而使得转子稳定性降低,但仍然处于稳定范围内。     

刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性数值研究

为评估刷式-迷宫密封的封严性能和偏心涡动时对转子安全稳定性的影响,采用基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立了数值研究刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性的数学模型。研究了压比为1.96、3、4.49、6.9,进口预旋速度为-50、-30、0、30、50 m/s和4种转子自旋速度为3×10~3、7.5×10~3、1.5×10~4、2×10~4 r/min下刷式-迷宫密封泄漏流动特性和转子动力特性系数,并与传统迷宫密封进行了比较。研究结果表明:刷式-迷宫密封的泄漏量显著小于迷宫密封,在压比为6.9时,刷式-迷宫密封的有效间隙仅为迷宫密封的25.5%;刷式-迷宫密封的直接刚度随压比和进口预旋速度绝对值增大而增大,随转子自旋速度改变变化不明显;有效阻尼随进口预旋和转子自旋速度的升高而降低。刷丝束具有止旋作用,相比迷宫密封,刷式-迷宫密封的交叉刚度和有效阻尼对运行工况变化敏感度更低,且刷式-迷宫密封的直接刚度在研究工况范围内均大于迷宫密封,临界转速更高。在相同工况条件下,刷式-迷宫密封的封严性能显著优于迷宫密封,正向预旋速度较大或转子自旋速度较低时,刷式-迷宫密封有效阻尼大于迷宫密封,转子系统的稳定性更好。     

迷宫齿弯曲磨损时密封泄漏特性和转子动力特性系数研究

针对迷宫密封在运行过程中因碰磨因素等导致迷宫齿弯曲磨损,进而影响其泄漏和转子动力特性的问题,开展了迷宫齿弯曲磨损时密封泄漏和转子动力特性变化的数值研究。采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(URANS)方程求解方法,计算分析了迷宫齿未弯曲磨损时间隙为0.3mm以及3种不同弯曲程度下间隙为0.4、0.5、0.6mm时的密封泄漏量和转子动力特性系数,并计算了未弯曲磨损条件下间隙为0.4、0.5、0.6mm时密封泄漏量以进行对比。研究结果表明:迷宫齿弯曲磨损时密封泄漏量是由径向间隙与弯曲曲率共同决定的。当迷宫齿未弯曲时,密封泄漏量随径向间隙增加而线性增加;迷宫齿弯曲曲率增加会削弱密封入口的压缩效应,增加密封归一化缩流面积;当径向间隙为0.6mm时,迷宫齿弯曲使得密封泄漏量增加6.1%。随着迷宫齿弯曲磨损后径向间隙增加,密封直接刚度逐渐增加,导致转子系统的临界转速提高,对于运行转速小于临界转速的转子系统,有利于避免与转子系统发生共振。交叉刚度大小和直接阻尼随迷宫齿弯曲磨损后径向间隙增加而逐渐降低,引起密封有效阻尼逐渐降低,不利于转子系统的稳定性。     

高偏心率下旋转密封泄漏特性和静态动力特性研究

为了评估转子发生偏心时非同心旋转密封对透平机械运行效率和安全稳定性的影响,提出了基于动网格技术和三维RANS方程的高偏心率旋转密封三维计算网格的生成方法,以及高偏心率旋转密封静态气流激振力和静态刚度系数的数值计算方法,研究了高偏心率下旋转密封的泄漏特性和静态动力特性。采用文中所提方法计算分析了3种压比(0.17,0.35,0.50)、2种进口预旋比(0,0.5)和7种偏心率(0.0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.8,0.9)下的袋型阻尼密封泄漏量、静态气流激振力、静态刚度系数和流场特性。研究结果表明:旋转密封的泄漏量随偏心率的增大而增大;转子偏心和进口预旋产生了显著的正交叉刚度,易诱发转子发生偏心涡动而失稳;非阻塞工况下,旋转密封具有正的静态直接刚度;阻塞工况下,旋转密封的静态直接刚度存在穿越偏心率为0.5,静态直接刚度随偏心率的增大而增大,其值在穿越偏心率处由负值变为正值,以避免产生密封碰磨失效。     

动密封转子动力特性谐波激励实验测试方法

针对动密封性能实验研究需求，设计搭建了基于谐波激励机械阻抗法的动密封转子动力特性实验台。实验台包括供气系统、驱动系统、润滑系统、激振系统以及测量系统5个部分。实验测试原理：利用电磁激振器对密封静子件分别施加x和y两个正交方向的单频/多频谐波激励，同步测量密封静子件涡动位移、涡动加速度以及所受的激振力等动态信号，通过无压缩气体的基准实验解耦实验台机械阻抗和动密封气流阻抗，求解力-位移线性方程，获得频率相关的动密封转子动力特性系数。该实验台能够开展不同运行工况(压比、转速、预旋比和偏心率)、不同密封结构(迷宫、蜂窝/孔型、袋型密封等非接触式动密封)和不同密封间隙下的频率相关转子动力特性系数实验测量。利用搭建的实验台对典型迷宫密封开展了泄漏与转子动力特性测量，验证了实验台的可靠性与准确性。     

液氧涡轮泵新型螺旋阻尼密封泄漏特性研究

针对某液氧涡轮泵离心轮前凸肩密封,提出了一种新型螺旋阻尼密封结构(静子面孔腔和转子面螺旋槽)。为研究离心轮凸肩密封进口高预旋影响,提出了能够同时模拟动密封进口压力场和速度场的“双进口边界”数值模型。采用液体(水工质)孔型阻尼密封和螺旋密封的泄漏量实验结果,验证了基于三维定常Navier-Stokes(RANS)方程的动密封稳态泄漏流动数值预测方法的有效性和准确性。对比研究了迷宫密封、孔型阻尼密封、双螺旋密封等3种传统动密封结构和新型螺旋阻尼密封在某液氧涡轮泵6种变负载运行工况(负载率?为23%、31%、54%、77%、100%、108%)、2种进口预旋比(λ为0、0.75)下的泄漏特性。结果表明：相比于3种传统动密封结构,新型螺旋阻尼密封在全工况下均具有最佳的封严性能(泄漏量减小10%～50%),尤其在高负载工况(更高转速、更大压差);新型螺旋阻尼密封的泄漏量对进口预旋、压差和转速等运行条件的变化敏感性最低(在23%～108%变载荷运行、无预旋时,新型螺旋阻尼密封的泄漏变化量相对于迷宫、孔型和双螺旋密封减小了45%、40%、29%),具有优良的变工况适应能力,能够满足液氧涡轮泵深度变推...     

高低齿迷宫气封在汽轮机级中应用的数值研究

为了研究迷宫汽封应用于实际结构的汽轮机中的流动特性及密封机理,采用商业软件CFX数值模拟了带有平衡孔和迷宫密封结构的某汽轮机高压一级半汽轮机内部流动。以第八级静叶隔板汽封为例,详细分析了所采用的高低齿迷宫气封的流动特性及密封机理。结果表明:在静叶隔板中应用转子带台阶的高低齿迷宫气封,与直通型迷宫气封相比,使泄漏气流发生多次折转,产生数量众多的大涡拟序结构与杂乱无章的小涡旋,强化了泄漏气流的动能耗散,从而明显增加了静叶隔板的密封性能。优化匹配迷宫气封的转子台阶、长短齿与大小间隙,能够进一步提高迷宫气封的气动性能。     

基于试验设计方法的液相孔型-迷宫密封几何参数敏感性分析

为了评估新型液相孔型-迷宫密封在转子偏心下的泄漏特性,提高其运行稳定性,提出了中心组合设计的试验设计方法。对新型液相密封中影响泄漏特性和静态转子动力特性的关键几何参数(迷宫腔室深度、宽度、孔深和孔径)进行敏感性分析;采用基于动网格技术和稳态RANS方程的数值计算方法求解25种几何参数组合的新型液相密封在2种偏心率(0.1、0.2)下的泄漏量、静态气流激振力和静态刚度系数;分别以泄漏量、静态气流激振力和静态刚度系数为响应,以4个几何参数为变量获得主效应图。结果表明：偏心率对泄漏量的大小以及其几何参数敏感性影响很小,当腔室深度、宽度、孔深和孔径分别在40%、24%、56%、44%水平时,泄漏量最小;在转子偏心下,切向力随着迷宫腔室深度与宽度的增加而单调递减,随着孔深与孔径的增加先增加后减小;径向力随着腔室深度的增加而增加,随着腔室宽度的增加先减小后增加;当偏心率增加到0.2时能找到使静态直接刚度最大的几何参数组合,此时腔室深度、宽度、孔深和孔径分别在24%、48%、40%和64%水平。在转子偏心与不偏心工况下,腔室深度与宽度的增加均会造成静态交叉刚度的单调递减;转子偏心时静态交叉刚度随着孔...     

袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动预测模型

为了满足宽频域下阻尼密封转子动力特性的计算要求,针对单频涡动模型计算量大的问题,提出了采用动网格技术和非定常数值方法来预测袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动模型.以转子多频单向涡动位移作为激励信号,采用非定常方法和动网格技术进行了三维ReynoldsAveraged Navier-Stokes (RANS)方程的数值求解,从而获得了袋型阻尼密封的瞬时流体激振力.通过快速傅里叶变换,在频域内计算了10个频率的8个转子动力特性系数,并与实验值进行了比较.结果表明:数值计算得到的袋型阻尼密封转子动力特性系数与实验值吻合良好,从而验证了基于多频单向涡动模型的数值方法能够可靠预测袋型阻尼密封转子动力特性.     

阻塞截流交替式无接触转动密封

本发明阻塞节流交替式无接触转动密封可作为多种回转式气体机械的轴端密封．针对迷宫式密封仅靠节流作用而泄漏多特别是在高压不理想、排齿数少以及对审轴的耐受性差的不足，融汇了两种密封原理，添加了边界层阻流作用，将传统的齿顶节流齿侧迷宫改为长齿侧阻塞节流和齿顶迷宫．可多排齿控、增大曲折度、延长轴向间距，故消除了迷宫密封的几个缺点，显著降低了泄漏量．     

迷宫密封传热特性的数值研究

采用包含固体域和流体域的耦合传热数值求解方法,研究了典型燃气轮机迷宫密封的传热特性,并与实验值进行了对比.通过计算得到了2种间隙下13齿迷宫密封转子面和静子面附近的努力塞尔数Nu分布,计算值与实验值吻合良好.研究结果表明:在所考核的涡黏湍流模型中,由k-ω和SST湍流模型计算得到的Nu与实验值吻合良好,标准k-ε湍流模型和k-εRNG湍流模型计算得到的Nu比实验值约高70%;对于直通型光滑面迷宫密封,在静子面上,第1齿前区域的Nu沿轴向逐渐增大,齿后区域的Nu在某一值上下波动;在转子面上,腔室区域的Nu沿轴向逐渐增大,齿尖区域的Nu有较大突跳.静子面上Re对迷宫密封平均Nu的影响大于转子面;随Re的增加,静子和转子固体域的温度梯度逐渐增大,但Nu分布曲线的形状基本不变.     

附带共振腔的改进型迷宫密封性能分析

为了提高迷宫密封的性能,受亥姆霍兹共振腔启发,提出了一种改进型迷宫密封.在传统迷宫密封腔上方设计第2个膨胀腔,使气流在腔内进行二次膨胀,增加腔内气流的速度耗散.应用数值方法研究改进型密封的泄漏特性、动力特性和声学特性,并与迷宫密封进行比较.研究结果表明:改进型密封内的气流形成了2个漩涡,使气流膨胀更充分,密封泄漏量降低;改进型密封腔的容积增大,降低了低频切向气流力,提高了密封在低频涡动区内的稳定性;受亥姆霍兹共振腔声学效应的影响,改进型密封提高了对低频噪声的抑制能力.     

迷宫密封气流激振效应对转子振动响应影响的实验研究

用PL30 2双通道数据采集器及频谱分析仪测试了高速转子在升、降速过程中对迷宫密封中气流激振效应的亚异步自激振动响应 ,得到了振动响应的三维频谱图。实验结果声明 ,迷宫密封气流激振对高速转子振动响应有影响 ,迷宫密封结构参数对转子稳定性有影响。迷宫密封气流激振引起的转子亚异步自激振动有一个转速门槛值 ,这种振动一旦发生 ,其振幅随转速的升高而增大 ,而振动频率维持不变。迷宫密封气流激振引起的亚异步自激振动和油膜涡动有显著的不同 ,可以用测试转子振动三维频谱图的方法来诊断高速转子的复杂故障     

孔的排布方式对孔型阻尼密封泄漏特性和动力学性能影响研究

为揭示孔的排布方式对孔型阻尼密封性能的影响规律以及探究最佳排布方式,基于多频椭圆轨迹涡动模型非定常计算流体力学摄动数值方法,研究了不同孔径、孔排布方式下孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能。采用孔型阻尼密封试件试验数据,验证了数值方法的可靠性和准确性,通过计算分析了不同孔径(3.175、12.268 mm)、孔排布方式(轴向顺排、周向顺排)、进口预旋(0、0.5)对孔型阻尼密封的泄漏量、动力特性系数和腔室动态压力的影响规律。数值结果表明：大孔径孔型阻尼密封动力学性能较优,具有较高的有效阻尼和较低的穿越频率,但封严性能较差,对应的泄漏量增加了6%～10%;小孔径孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能对孔的排布方式不敏感,泄漏量偏差小于0.5%,动力特性系数偏差小于7%;对于大孔径孔型阻尼密封,采用周向顺排的方式可获得更好的封严性能以及更优的动力学性能,泄漏量可降低4%,有效阻尼的穿越频率也得到显著减小。该研究可为孔型阻尼密封的设计提供参考。     

迷宫密封齿型对密封流场与泄漏量的影响

应用Fluent软件计算迷宫密封斜齿角度和三角齿型对迷宫密封流场和泄漏量的影响.计算结果与分析表明,迷宫密封齿型对密封不可压缩流体流场和泄漏量有一定的影响,随着密封齿倾斜角度α由小增大,泄漏量由大到小再增大,当α向着来流方向倾斜50°时,泄漏量最小;随着三角齿根角度β的增加,泄漏量由大到小再增加,当β为105°时,泄漏量最小.