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.     

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...     

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。     

防旋板与转子面一体化设计的迷宫密封转子动力特性研究

为提高迷宫密封转子动力特性,开展进口和腔室防旋板与转子面一体化设计的迷宫密封结构转子动力特性研究。基于进口防旋板结构的迷宫密封(结构1),设计了进口和腔室防旋板结构的迷宫密封(结构2),以及基于结构2的带有腔室防旋板与转子面凹槽和凸台结构一体化设计的密封结构3和4。采用转子多频椭圆轨迹涡动模型和动网格技术的非定常Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)数值求解方法,对比分析了变进口预旋条件下4种迷宫密封的泄漏特性和转子动力特性。研究表明：相比于进口防旋板密封,腔室防旋板和转子面一体化设计的凹槽和凸台转子面密封,特别是凸台转子面密封能明显降低迷宫密封的泄漏量和交叉刚度;进口预旋比为0.84时,相比于进口防旋板密封,凹槽转子面密封和凸台转子面密封的正有效阻尼分别提高了48.7%～144.1%和59.8%～254.0%;进口预旋比增加为1.32时,凹槽转子面密封和凸台转子面密封在整个频率范围内仍保持最大有效阻尼。腔室防旋板和转子面一体化设计的迷宫密封能显著提高转子稳定性,论文工作为进一步提高迷宫密封的转子动力特性提供了设计方案。     

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。     

Bulk Flow方法分析孔型密封转子动力特性的有效性

基于Kleynhans和Childs的两控制容积等温BF(Bulk Flow)模型,通过增加能量方程和理想气体状态方程,建立了理想气体BF方法的数学模型,来预测和分析孔型密封转子在偏心状态下的静力学和动力学特性.由于转子在密封中心附近做微小涡动,故可通过采用摄动方法使得NS方程的求解过程得到较大的简化,再通过迭代求解简化后的零阶和一阶摄动方程组,就可以求出孔型密封的流场和动力特性系数.以此为依据发展了相关程序,计算出了不同工况条件下孔型密封的转子动力特性系数与激振频率的关系,通过与已有的实验数据和等温BF模型的计算结果进行对比,验证了理想气体BF模型及相关求解方法的有效性.结果表明:理想气体BF模型的预测结果与实验数据吻合良好,且优于等温BF模型的计算结果,证明了该理想气体BF模型的正确性和计算方法的可靠性.该方法可用于孔型密封动力特性的预测.     

裂纹转子动力特性的有限元分析

针对现有的裂纹转子模型的一些缺陷，提出了较为合理的新的有限元模型。然后提出了采用谐波平衡法求解裂纹转子动力学的新方法，从而使裂纹转子动力特性的精确的定量分析成为可能。     

火箭发动机液氢涡轮泵转子-密封系统的非线性动力稳定性

研究了不平衡激励下密封对火箭发动机液氢涡轮泵转子系统非线性动力稳定性的影响；采用Muszynska模型描述密封流体激振力，根据Timoshenko梁-轴有限元模型离散化转轴，建立了实际液氢涡轮泵转子-密封系统的非线性有限元模型；结合Floquet理论和打靶法，分析了该不平衡系统的动力稳定性和非线性行为。研究表明：密封诱发的次同步进动造成的系统失稳破坏首先发生在涡轮端轴承；轴承阻尼、密封轴向雷诺数和密封长度对系统临界失稳转速有显著影响，随着轴承阻尼和密封轴向雷诺数的增大，系统临界失稳转速增加，随着密封长度的增加，临界失稳转速逐渐变小。     

端面气膜密封动力特性系数的计算

应用微扰方法和有限元法 ,对端面气膜密封三自由度微扰下 ,密封气膜的刚度和阻尼系数进行了数值求解。该分析可计及多种典型端面结构的动静压效应。分析结果表明 :轴向微扰和角向微扰之间的交叉作用很小 ,可以忽略不计 ,因此工程实际中 ,在进行端面气膜密封的稳定性和强迫振动响应分析时 ,可将三自由度的微扰运动简化为两个相互独立的微扰运动 ,一个只作轴向的微扰移动 ,另一个只沿两个正交轴作角向微扰摆动。算例验证了计算的正确性     

考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封转子动力特性

针对阶梯型迷宫密封转子动力特性受进口预旋影响的问题,提出了考虑进口预旋的阶梯型迷宫密封动力特性计算方法。基于Murphy小位移涡动原理建立气流激振力-转子位移-转子速度的控制方程;采用计算流体力学(CFD)数值模拟方法对不同预旋比的全环密封流道进行计算,通过频域内求解控制方程得到了刚度和阻尼等动力特性参数,研究了不同预旋比的情况下阶梯型迷宫密封的动力特性;绘制了流道内的压力分布和流速矢量图,研究了阶梯型迷宫密封的流场特性。数值仿真结果表明：随着预旋比的增加,直接刚度在低频部分增大,在高频部分减小,交叉刚度几乎不变,交叉阻尼随预旋增加而减小;气流预旋明显降低了直接阻尼,相较于预旋比λ=0的情况,λ=0.255及λ=0.516的工况下直接阻尼的预估值平均减小了16.9%和21.4%;随着节流次数增加,气流经过密封齿的压降逐渐增加,分别为0.25、0.374和0.499 MPa,密封齿顶的流速也逐渐增加,分别为79.5、88.36和106.0 m/s;由于密封齿阶梯式的排列增加了主流道的复杂性,阶梯密封流道分为节流区、射流区和涡流区,涡流区2个转向相反的旋涡增加了流道内气流动能的耗散。     

机械密封的摩擦特性——密封准数研究

本文根据流体动压润滑原理,推导出了摩擦系数、膜厚与密封准数的关系式。并利用摩擦系数-密封准数、膜厚-密封准数关系对所试验的密封作了实际摩擦状态划分尝试。试验结果是当密封准数小于5×10~(-8)时为混合摩擦;当密封准数大于5×10~(-8)时为流体摩擦。     

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。     

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ＰＬ３０２双通道数据采集器在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。实验结果志明,迷宫密封气流激振对高专子振向应有影响,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     

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。     

蜂窝密封动力特性参数的CFD数值分析方法

运用商用CFD软件Fluent,采用三维建模的方法分别建立圆柱形蜂窝密封和圆锥形蜂窝密封的几何模型,针对蜂窝密封几何结构复杂、密封间隙小且径向流动参数变化剧烈的特点,采用了六面体网格划分、增加密封间隙径向网格密度和非平衡壁面函数湍流模型等方法,依次计算出两种形式的密封结构的主刚度、交叉刚度和主阻尼,并与相关的实验数据和解析计算结果相比较,得出本文数值计算方法比原有的解析计算方法有更好准确性,为今后的蜂窝密封动力特性分析和密封结构的优化设计提供一种有效的分析手段。     

转子-轴承-密封系统的非线性振动特性

将非线性油膜力和密封力模型相结合,建立了具有非线性转子-轴承-密封系统的动力学模型.利用数值积分方法,对系统由于密封力引起的非线性动力学行为进行了研究,给出了系统响应随转子转速、偏心量和密封间隙变化的分叉图和最大Lyapunov指数曲线图,以及一些典型的Poincaré截面图、轴心轨迹图和频谱图.通过比较转子系统是否考虑密封力时的响应,发现非线性密封力提高了转子系统的稳定性区域,抑制了系统出现倍周期分叉,并且综合考虑非线性油膜力和密封力的耦合系统具有周期、拟周期和混沌等复杂的动力学行为.     

300MW发电机组转子密封轴承系统振动特性分析与测量

用多跨多轴承转子系统动力响应有限元—传递矩阵法建模，计算了发电机—励磁机转子及轴承密封环系统的瞬态动力响应。对密封环的动力特性及其对转子振动的影响进行了分析和计算。通过现场实测，证实某引进型３００ＭＷ发电机轴承处振动超差的主要原因是三个：１）励磁机轴系临界转速过于靠近工作转速；２）密封环动力响应的影响；３）轴系三支点的结构使得励磁机一阶模态与发电机二阶模态耦合     

转子系统超谐波共振的理论分析与实验研究

忽略机械系统中客观存在的非线性因素，对于提高机械故障诊断与预测技术水平是非常不利的．本文利用多尺度法分析了刚度非线性转子系统的横向振动，论证了当转频接近于线性化固有频率的1／2或1／3时，分别存在明显的二阶或三阶超谐波共振现象．实验结果验证了理论分析的结论．本文的研究结果有利于建立完备的回转机械故障诊断知识库．     

多支承转子-轴承系统试验台动力学设计

为实现多支承轴承-转子系统振动监测和机械设备故障诊断,设计研制了一台模拟大型旋转机械动力特性的多支承轴承-转子试验台。采用有限元算法,经过系统动力学设计计算和理论分析,表明本试验台具有良好的动力学特性和足够的稳定性裕度,能够进行多种转子动力学实验研究,具备机组机械振动监测、故障模拟、轴承负荷在线监测等多项功能。     

异形孔腔结构对液体孔型密封泄漏特性及转子耗功的影响

为降低透平机械中动静间隙泄漏量,提高机组运行效率与转子系统稳定性,以孔型密封为基本模型,提出了一种球凹孔腔、两种周向倾斜孔腔(倾斜角为±30°)和两种轴向倾斜孔腔(倾斜角为±20°)的密封结构。采用基于三维定常RANS方程的数值计算方法,研究了异形孔腔对液体孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响,计算分析了不同转速(0～6 000 r/min)下,典型孔型密封和5种异形孔密封结构的泄漏量、孔腔流场、湍动能耗散率分布和转子面拖拽力矩。结果表明:球凹孔腔在转速0～4 000 r/min的范围内能显著降低密封泄漏量;周向倾斜孔腔能显著降低间隙内周向旋流,倾斜角为30°的周向斜孔密封具有更低的泄漏量;轴向倾斜孔腔能略微降低转子耗功,倾斜角为20°的轴向倾斜孔腔能降低泄漏量,而倾斜角为-20°的轴向倾斜孔腔导致泄漏量增加。