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。     

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...     

迷宫密封泄漏特性的试验研究

为了研究迷宫密封泄漏特性,设计并搭建了旋转密封试验台,测量了典型迷宫密封在8种压比、5种转速、固定密封间隙下的泄漏量和密封腔室压力.通过数值模拟结果的对比分析,找出了压比、转速对迷宫密封泄漏特性和腔室压力的影响规律.研究结果表明:搭建的旋转密封试验台在迷宫密封泄漏量和密封腔室压力的测量精度上是可靠的;相比于试验结果,数值计算获得的泄漏量和腔室压力的最大相对误差分别为3.25%、3.6%,表明试验与数值结果吻合良好,数值方法可以较准确地预测迷宫密封的泄漏量和腔室压力;相同转速下的流量系数随着压比的提高而增大,小压比下的流量系数增加迅速;相同压比下的转速对流量系数的影响很小,可以忽略;迷宫密封腔室压力系数沿流动方向逐渐减小,密封腔室结构对压力系数影响很大.     

迷宫密封泄漏特性影响因素的研究

采用标准k-ε紊流模型和三维RANS方程求解方法,数值研究了密封间隙、压比、转速对典型迷宫密封泄漏特性的影响规律.计算分析了典型迷宫密封在3种密封间隙、4种压比和4种转速下的泄漏特性.研究结果表明:用相对流量系数(转动时的流量系数与静止时的流量系数的比值)与速比(周向速度与轴向通流速度的比值)的函数关系表征泄漏量随转速变化的规律时,存在一个临界速比约等于1.0;低于这个临界速比时,转速对泄漏量的影响不明显;高于这个临界速比时,泄漏量随转速的增大而减小,在很高的转速下(6 000 r/min以上),泄漏量至少减小了5.1%;相同间隙下,泄漏系数随着压比的提高而近似线性增加;相同转速下,随着密封间隙的减小,相对泄漏量逐渐降低.     

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...     

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。     

迷宫蜂窝密封泄漏特性的实验测量和数值研究

为研究蜂窝孔径、径向间隙和运行工况对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,采用静止密封泄漏特性实验测量平台,测量了7种压比和5种径向间隙下迷宫蜂窝密封的泄漏量。基于数值求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型的方法,研究了迷宫蜂窝密封的泄漏特性。分析了压比(1.05～1.6)、密封间隙(0.4～1.2 mm)、转速(0～8 000 r/min)和蜂窝孔径(0.8、1.6、3.2 mm)对迷宫蜂窝密封泄漏特性的影响,并与光滑面迷宫密封进行了对比。研究表明：迷宫蜂窝密封的泄漏量随着压比的增加而近似线性增大;密封流量系数随径向间隙增大而有所降低,降低最大值为10%。在转速低于3 000 r/min时,转速对迷宫蜂窝密封的泄漏量影响很小;当转速高于3 000 r/min时,蜂窝结构能够抑制流体的周向运动使迷宫蜂窝密封在高转速时具有更优的密封性能,流量系数明显下降,转速升高到8 000 r/min时密封流量系数最多降低到0转速时的51%。迷宫蜂窝密封流量系数随蜂窝孔径增大先减小后升高,在孔径为0.6 mm与齿宽相等时流量系数最低,此时流量系数比光滑面迷...     

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。     

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.     

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。     

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。     

液相和多相环境下环形动密封泄漏流动和转子动力特性的研究进展

为保证泵和压气机的全负荷、高效和稳定运行,针对运行在液相和多相环境下的环形动密封特殊的泄漏流动和流体激振转子动力特性,研究人员开展了大量的理论和实验研究。首先,对液相和多相环形动密封的应用背景、密封流体激振力产生机理和转子动力特性系数数学模型进行了分析;然后,分别对纯液相环境下的环形动密封技术性能分析方法和结构设计研究进展,气液两相环境下环形动密封的泄漏流动、转子耗功和动力特性的研究现状,以及湿气环境下环形动密封技术的泄漏流动和转子动力特性的实验测量和数值模拟方面的研究结论进行了综述;最后,基于目前液相和多相环境下环形动密封性能在实验测量、数值模拟和理论分析方面的研究结论,展望了环形动密封技术在多相环境下的泄漏流动和流体激振转子动力特性方面需要深入开展的研究课题。针对纯液相环形动密封,研究人员已开发了相应的实验测试方法和基于BULK FLOW模型和CFD(computational fluid dynamics)的数值预测方法,还需进一步开展高效抑振方法和高阻尼液相动密封技术研究;针对气液两相环形动密封,研究人员主要通过实验测量方法获得气相组分和液相组分对密封泄漏和转子动力特性的影响规律,还需进一步开展气液两相密封高精度数值预测方法和密封微小间隙内两相流动机理研究。     

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。     

螺旋篦齿-刷式密封泄漏特性实验和数值研究

为探究刷丝束安装位置对螺旋篦齿-刷式密封泄漏流动特性的影响,基于多孔介质模型和计算流体动力学(CFD)技术,数值研究了刷丝束安装在螺旋篦齿上游或下游两种螺旋篦齿-刷式密封在不同压比(1～1.3)和转速(0～10 000r/min)条件下的泄漏流动特性。同时,在压比为1～1.3和转速为0～2 000r/min的条件下,实验测量了刷丝束安装在螺旋篦齿上游的密封泄漏流动特性。在实验工况范围内,数值模拟得到的泄漏量和腔室压力与实验值吻合良好。结果表明:泄漏气流主要经刷丝束与转子间隙流入下游;相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时的泄漏量及其对转速变化的敏感度更小。螺旋篦齿和转子环形台阶沿轴向交错排列,导致周向静压分布不均和下游压力高于上游压力;两种密封转子面静态气流作用力的x轴分量方向相反,y轴分量方向也相反,且相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时静态气流作用力的x轴分量绝对值更大,而y轴分量绝对值更小;静态气流作用力的绝对值随压比升高而显著升高,对转速变化不敏感。     

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     

水轮机迷宫密封系统非线性动力稳定性研究

采用Muszynska非线性密封力模型,分析水轮机转轮密封系统非线性动力学特性,研究迷宫密封对水轮机转轮系统动力稳定性的影响.受密封力作用转轮发生自激振动,当转轮达到一定转速后开始失稳,发生Hopf分岔,进入周期涡动状态,涡动幅度随转速的提高而增大,增大到一定程度后,密封和转轮发生碰摩.根据Lyapunov第一近似理论判断非线性系统的运动稳定性,采用Runge-Kutta法数值模拟了转轮的轴心轨迹.通过改变迷宫密封的物理和结构参数,对系统运动特性进行敏感性分析,将Muszynska模型与八参数模型进行比较证明其变化趋势相同.     

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.     

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。     

孔型参数对流体孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响

为评估孔型密封在液体透平机械动静间隙的封严效果,明确液体工质下孔型密封设计中关键几何参数孔深、孔径选取准则,采用基于动网格技术的网格自动生成方法和基于三维定常雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程的孔型密封泄漏流动数值计算方法,研究了液体工质下孔型几何参数孔深、孔径对孔型密封泄漏特性和转子耗功的影响规律。计算分析了2种转速(2 000,6 000r/min)、5种孔径(3,6,9,12,16mm)下孔深在0.5～15mm范围连续变化时,液体孔型密封的泄漏量、转子耗功以及孔腔流场结构,并与实验结果进行了对比。结果表明:所采用的数值方法能够准确预测液体孔型密封泄漏量;液体孔型密封泄漏量随转速增大而线性减小;深径比(孔深与孔径之比)对孔腔内涡系结构具有显著影响,是影响液体孔型密封泄漏量的关键参数;随孔深径比增加,液体孔型密封泄漏量先减小后增大;存在最佳孔深径比范围0.5～0.6,此时液体孔型密封泄漏量最小;不同孔径下,液体孔型密封转子耗功随孔深径比的增加而急剧减小。