液氢涡轮泵转子—迷宫密封系统动力学特性研究

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随着现代工业的迅猛发展,转子轴系的转速增加、密封压力的增加和转子挠性度的增加,以及密封间隙的减小,致使密封激励问题在转子轴系设计中要求更加严格。对于合理描述密封流体激励力不仅有利于系统的动力学特性分析、简化分析过程,还有利于明确密封结构各参数对系统的物理意义,研究密封流体激励力对稳定性的影响规律。本文建立了密封流体激励力理论模型,通过三维CFD计算研究某型号迷宫密封的压力分布、流体作用力,建立液氢涡轮泵转子-密封系统动力学模型,对其动力学特性进行研究,分析系统稳定性,研究其影响规律。主要研究内容和结果如下:(1)使用Muszynska模型并在此基础上引进经验参数,考虑密封入口预旋效应,并建立一套计算迷宫密封的Muszynska模型经验参数的方法,以获得完整的密封流体激励力理论模型,分析迷宫密封流体激振力,并将激振力集总在转子轴系上。(2)对某型号迷宫型密封建立三维流体计算模型,使用Fluent流体计算软件分析该型号密封内部流动和压力分布,研究密封间隙、转子偏心对密封泄漏量和激振力的影响,通过得到的计算结果数据对密封激振力模型中所设计经验参数进行非线性回归,确定经验系数大小。研究发现密封流体激振力是由静压力和动压力的综合作用,一般情况流体静压力占主导作用。(3)结合提出的迷宫密封激振力模型、计算得到的模型经验参数获得完整密封激振力模型,使用有限元方法建立液氢涡轮泵转子-迷宫密封系统动力学模型进行数值求解。研究发现轴承支撑刚度、轴承位置对轴系模态振型不影响;迷宫密封流体激振力所激起的轴系振动,其频率与一阶固有频率相近而造成共振,导致液氢涡轮泵转子-迷宫密封系统失稳。(4)通过研究液氢涡轮泵转子-迷宫密封系统稳定性,发现随着轴系轴承支撑刚度的增加、密封间隙的增加、密封介质粘度的增加统稳定性增强;随着密封两端压差的增加、密封半径的增加系统容易失稳;密封各参数变化对轴系临界转速影响甚微,密封的支撑刚度远小于轴系轴承的支撑刚度,对临界转速的影响可以忽略。
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