迷宫密封流体激振机理及抑制方法研究

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密封是抑制汽轮机、航空发动机、燃气轮机及压气机等透平机械流体泄漏、提升机组运行效率的关键部件。迷宫密封由于其结构的可靠性以及良好的密封性能被广泛应用于各类透平机械。随着机组运行参数的不断提高,密封引起的流体激振问题日益突出。开展迷宫密封流体激振机理及抑制方法研究具有重要的理论意义和工程价值。首先,采用计算流体力学(CFD)方法,对迷宫密封流体激振机理展开研究。计算分析了进口压力、转子转速、密封齿数、涡动频率以及进口预旋等关键参数对密封流体激振力特性的影响,以密封腔为单元对密封段转子受力进行分解,得出各腔室对整体气流力贡献,探明流体激振机理。基于上述研究,提出“穿越齿数”与“临界稳定性”概念,可直观评判迷宫密封系统稳定性,并阐明进口预旋的作用机理,给出了进口预旋方向选取准则。其次,为提升密封动力特性系数识别方法的精度与普适性,提出了一种基于微元理论的密封动力特性系数识别方法。基于瞬态涡动法与动网格技术,获取转子在不同涡动频率下特定位置处所受气流力,采用微元理论求得密封动力特性系数。本方法可对任意椭圆轨迹、涡动频率及偏心下的密封动力特性系数进行识别。为验证识别方法的准确性,对不同偏心率、涡动频率下的迷宫密封与光滑环形密封动力特性系数进行识别,并与实验值对比,预测所得直接刚度、直接阻尼、交叉刚度及有效阻尼均与实验结果吻合。对迷宫密封偏心情况下的动力特性研究发现,较高的偏心率往往会破坏密封系统的稳定性,特别在低涡动频率下,稳定性下降明显。最后,为抑制迷宫密封流体激振,提出一种新型逆滞流迷宫密封,通过在迷宫密封齿上设计微型逆滞喷管,连通相邻密封腔,利用相邻腔室压差产生逆向射流,对密封腔周向流动进行调节,提升系统稳定性。对新结构密封动力特性系数进行识别,并与传统迷宫密封进行对比。研究表明:逆滞流迷宫密封产生的反旋流对抑制密封腔内周向流动具有显著的效果。在高涡动频率下,新结构密封有效阻尼系数可达原结构的200%,系统稳定性提升显著。
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