密封可傾化減小流體激振力理論與試驗研究.pdf

1、近年來，大容量、高參數(shù)超臨界和超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組逐漸成為電力工業(yè)發(fā)展的主流。隨著機(jī)組容量增大和進(jìn)汽參數(shù)的提高，密封內(nèi)流體激振力對轉(zhuǎn)子振動的影響越來越明顯，直接關(guān)系到設(shè)備的安全與可靠運行。流體激振問題成為目前發(fā)展高參數(shù)、大容量超臨界和超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組中遇到瓶頸問題之一。開展密封增效減振的理論和試驗研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
　　 本文應(yīng)用CFD方法對密封流場建模，分析了轉(zhuǎn)速、偏心率和進(jìn)出口壓力等因素對密封流體激

2、振力的影響。通過作功量分析，研究了密封流體激振力對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響，表明切向激振力會促使轉(zhuǎn)子渦動。為了研究密封激振力產(chǎn)生的機(jī)理，本文對密封內(nèi)流體速度場和壓力場進(jìn)行了詳細(xì)分析，表明流體流入密封時，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動會形成螺旋形流動，造成密封腔內(nèi)的不均勻壓力分布和壓力高點偏移間隙最小點的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子偏心方向垂直的切向激振力。本文還采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法研究了密封流體激振力作用下密封的動力特性及其影響因素。
　　 傳統(tǒng)CFD密封流場參

3、數(shù)計算都是對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模求解，計算時間隨著密封齒數(shù)的增多而增大。本文提出將CFD和控制體模型相結(jié)合的思想，建立密封流場參數(shù)傳遞分析模型。該模型針對實際密封中重復(fù)結(jié)構(gòu)較多的特點，將多級密封分解為多個單元體串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。通過CFD計算單元體細(xì)節(jié)流場，通過控制體集總參數(shù)思路簡化單元體進(jìn)出口參數(shù)，通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立單元體參數(shù)映射，通過流動連續(xù)性條件建立單元體傳遞關(guān)系。實際計算表明，傳遞分析模型與CFD計算結(jié)果接近。對于具有相似結(jié)構(gòu)

4、的多級密封來說，由于不需要進(jìn)行重復(fù)建模，計算量相對于CFD整體建模顯著減小，可用來計算齒數(shù)較多的實際機(jī)組密封流場。
　　 減小密封切向激振力是提高密封穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，本文借鑒可傾軸承的思路，提出了一種“瓦塊可傾”的新型密封型式。建立了可傾式密封流固耦合計算模型，采用CFX動網(wǎng)格方法實現(xiàn)可傾密封流固耦合計算，研究了可傾密封的減振機(jī)理。通過流固耦合計算分析了轉(zhuǎn)速、偏心率、入口壓力等因素對可傾密封的泄漏特性和流體激振特性的影

5、響，并將計算結(jié)果與傳統(tǒng)固定式密封進(jìn)行對比。計算結(jié)果表明，兩種密封的泄漏特性相當(dāng)?？蓛A密封的流體激振力要小于固定密封，在轉(zhuǎn)速較高、壓比較大、偏心率較大的條件下，這一差別更加明顯。
　　 傳統(tǒng)密封動力特性試驗識別方法存在氣流力影響小、垂直\水平振動耦合考慮不足、忽視氣缸偏擺影響和非同頻激勵容易引入識別誤差等缺陷。在此基礎(chǔ)上，本文提出基于不平衡同頻激勵的密封動力特性改進(jìn)試驗識別模型。通過氣缸彈性懸掛支撐放大流體激振力影響。通過對氣缸多

6、點激振識別氣缸-密封系統(tǒng)阻抗特性，構(gòu)建氣流力等效識別模型，考慮垂直\水平振動耦合和氣缸偏擺的影響。通過轉(zhuǎn)子不平衡提供同頻的氣流激勵力，調(diào)整轉(zhuǎn)子不平衡量得到多組不平衡工況下的數(shù)據(jù)，構(gòu)建4個獨立方程求解密封動力特性系數(shù)。
　　 本文搭建了多功能密封試驗臺，研究了轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力、偏心率和轉(zhuǎn)子不平衡量等因素對密封動力特性的影響，研究了密封流體激振力對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速附近振動以及轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)油膜失穩(wěn)的影響。結(jié)果表明，密封流體激振力會導(dǎo)致轉(zhuǎn)

7、子-軸承系統(tǒng)油膜失穩(wěn)故障提前發(fā)生，并能加劇油膜失穩(wěn)的程度。試驗比較了可傾式密封和固定式密封在不同條件下靜態(tài)和動態(tài)特性。結(jié)果表明兩種密封在不同轉(zhuǎn)速，不同進(jìn)出口壓比下，泄漏特性相當(dāng)，可傾密封流體激振力比固定式密封要小。在高轉(zhuǎn)速、高入口壓力條件下，可傾密封交叉剛度較固定密封小，而阻尼較固定密封大，說明可傾密封動力特性要優(yōu)于固定式密封。本文采用氣流力對氣缸的作功量來比較兩種密封件能。相同條件下，可傾密封輸入給氣缸的能量小，更不易引起失穩(wěn)。氣缸阻