超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組迷宮密封—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性數(shù)值與模擬實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著高性能大容量旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，工質(zhì)參數(shù)不斷提高，密度增大、流速提高、流體對(duì)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的作用力增強(qiáng)，從而對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的動(dòng)力特性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段研究了高壓流體流經(jīng)迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析深化了認(rèn)識(shí)，完善了理論模型，編制成水蒸汽迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等效動(dòng)力特性系數(shù)計(jì)算軟件，分析了國(guó)產(chǎn)1000MW超超臨界機(jī)組高壓缸平衡活塞密封氣動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響。

2、 針對(duì)迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)研究比較多，但多數(shù)文獻(xiàn)研究的對(duì)象和實(shí)驗(yàn)工況與實(shí)際工程中的迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工況相去甚遠(yuǎn)。因此，本文在上海交通大學(xué)建立了模擬首臺(tái)國(guó)產(chǎn)1000MW超超臨界機(jī)組高壓平衡活塞處迷宮密封結(jié)構(gòu)尺寸的轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)用的密封件模型與實(shí)際超超臨界汽輪機(jī)具有完全相同的形式，且單級(jí)密封的實(shí)驗(yàn)壓比、轉(zhuǎn)子支承形式、轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速的比值等重要參數(shù)也都接近于超超臨界汽輪機(jī)的真實(shí)情況。此外，從迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非

3、定常特性出發(fā)建立了多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，同步采集靜壓、動(dòng)壓、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子振動(dòng)位移信號(hào)，為迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)中采用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，與實(shí)際超超臨界機(jī)組工質(zhì)物性有所偏差，而這種偏差造成的影響則由數(shù)值模擬來(lái)彌補(bǔ)。因此，本文采用數(shù)值模擬手段應(yīng)用攝動(dòng)法和單控制體模型，針對(duì)多種密封形式建立了迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性數(shù)學(xué)模型。文中先敘述了以空氣為介質(zhì)而建立的理想氣體數(shù)學(xué)模型。此模型，以理想氣體等溫流

4、動(dòng)經(jīng)過(guò)迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)了氣動(dòng)力等效動(dòng)特性系數(shù)。并在此基礎(chǔ)上，引入了水蒸汽熱物性，以實(shí)際氣體等焓流經(jīng)迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為前提，建立了嚴(yán)格意義上的真實(shí)水蒸汽密封流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，揭示超超臨界機(jī)組密封流動(dòng)過(guò)程中高壓汽流對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。此外，迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的流動(dòng)是十分復(fù)雜的，為了簡(jiǎn)化分析，使用了控制體模型，模型中引入了流量系數(shù)、動(dòng)能攜帶系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)常數(shù)來(lái)補(bǔ)充密封結(jié)構(gòu)對(duì)密封流動(dòng)影響的信息。因此，本文建立求解密封全流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)該

5、模型的求解揭示密封流動(dòng)細(xì)節(jié)，并給出由全流場(chǎng)模擬結(jié)構(gòu)推算控制模型所用的流量系數(shù)和動(dòng)能攜帶系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的方法。 本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果的比較分析深化對(duì)密封流動(dòng)物理過(guò)程的理解，從定性和定量上驗(yàn)證有關(guān)數(shù)學(xué)模型的可信性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：沿軸向密封腔室內(nèi)的靜壓分布呈逐腔下降分布，并且數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差小于5％。密封腔室周向壓力脈動(dòng)，其幅度與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)相關(guān)。并且不同周向測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力相位也與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)相關(guān)。脈動(dòng)壓力幅值

6、和相位的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量吻合良好。此外，當(dāng)高壓氣流流經(jīng)迷宮密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時(shí)，作用在渦動(dòng)轉(zhuǎn)子的氣流力對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速有影響。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子加氣后一階臨界轉(zhuǎn)速有所下降，隨著壓比增大，下降幅度進(jìn)一步增加；數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)加氣后臨界轉(zhuǎn)速變化的描述完全吻合。而且，密封內(nèi)高壓氣流的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性下降。隨著壓比增大，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性下降更為嚴(yán)重顯著。有關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的結(jié)論也一致。因此，可以看出從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析驗(yàn)證了空氣流動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法的

7、正確性進(jìn)而，針對(duì)首臺(tái)國(guó)產(chǎn)1000MW超超臨界機(jī)組高壓平衡活塞軸封，在設(shè)計(jì)工況下(進(jìn)口和出口壓力/溫度分別為176bar/5300C和59.46bar/476.630C)，用本文編制的水蒸汽流動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了盲算，并與外方提供驗(yàn)收判據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)本文編制軟件預(yù)測(cè)的汽動(dòng)力等效動(dòng)特性系數(shù)與判據(jù)接近，并且經(jīng)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析指出考慮密封汽動(dòng)力后機(jī)組轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速有所升高，穩(wěn)定性裕度有所降低，但仍足以保證穩(wěn)定工作。結(jié)果與外方判據(jù)相吻合。