密封可傾化減小流體激振力理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、近年來(lái)，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(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響越來(lái)越明顯，直接關(guān)系到設(shè)備的安全與可靠運(yùn)行。流體激振問(wèn)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(wèn)題之一。開(kāi)展密封增效減振的理論和試驗(yàn)研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文應(yīng)用CFD方法對(duì)密封流場(chǎng)建模，分析了轉(zhuǎn)速、偏心率和進(jìn)出口壓力等因素對(duì)密封流體激

2、振力的影響。通過(guò)作功量分析，研究了密封流體激振力對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性影響，表明切向激振力會(huì)促使轉(zhuǎn)子渦動(dòng)。為了研究密封激振力產(chǎn)生的機(jī)理，本文對(duì)密封內(nèi)流體速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，表明流體流入密封時(shí)，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)形成螺旋形流動(dòng)，造成密封腔內(nèi)的不均勻壓力分布和壓力高點(diǎn)偏移間隙最小點(diǎn)的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)力特性及其影響因素。
　　 傳統(tǒng)CFD密封流場(chǎng)參

3、數(shù)計(jì)算都是對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模求解，計(jì)算時(shí)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(chǎng)參數(shù)傳遞分析模型。該模型針對(duì)實(shí)際密封中重復(fù)結(jié)構(gòu)較多的特點(diǎn)，將多級(jí)密封分解為多個(gè)單元體串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)CFD計(jì)算單元體細(xì)節(jié)流場(chǎng)，通過(guò)控制體集總參數(shù)思路簡(jiǎn)化單元體進(jìn)出口參數(shù)，通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立單元體參數(shù)映射，通過(guò)流動(dòng)連續(xù)性條件建立單元體傳遞關(guān)系。實(shí)際計(jì)算表明，傳遞分析模型與CFD計(jì)算結(jié)果接近。對(duì)于具有相似結(jié)構(gòu)

4、的多級(jí)密封來(lái)說(shuō)，由于不需要進(jìn)行重復(fù)建模，計(jì)算量相對(duì)于CFD整體建模顯著減小，可用來(lái)計(jì)算齒數(shù)較多的實(shí)際機(jī)組密封流場(chǎng)。
　　 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(jì)算模型，采用CFX動(dòng)網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)可傾密封流固耦合計(jì)算，研究了可傾密封的減振機(jī)理。通過(guò)流固耦合計(jì)算分析了轉(zhuǎn)速、偏心率、入口壓力等因素對(duì)可傾密封的泄漏特性和流體激振特性的影

5、響，并將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)固定式密封進(jìn)行對(duì)比。計(jì)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(dòng)力特性試驗(yàn)識(shí)別方法存在氣流力影響小、垂直\水平振動(dòng)耦合考慮不足、忽視氣缸偏擺影響和非同頻激勵(lì)容易引入識(shí)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(lì)的密封動(dòng)力特性改進(jìn)試驗(yàn)識(shí)別模型。通過(guò)氣缸彈性懸掛支撐放大流體激振力影響。通過(guò)對(duì)氣缸多

6、點(diǎn)激振識(shí)別氣缸-密封系統(tǒng)阻抗特性，構(gòu)建氣流力等效識(shí)別模型，考慮垂直\水平振動(dòng)耦合和氣缸偏擺的影響。通過(guò)轉(zhuǎn)子不平衡提供同頻的氣流激勵(lì)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(gè)獨(dú)立方程求解密封動(dòng)力特性系數(shù)。
　　 本文搭建了多功能密封試驗(yàn)臺(tái)，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(duì)密封動(dòng)力特性的影響，研究了密封流體激振力對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速附近振動(dòng)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(huì)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(yàn)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(dòng)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(shuō)明可傾密封動(dòng)力特性要優(yōu)于固定式密封。本文采用氣流力對(duì)氣缸的作功量來(lái)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