袋型阻尼密封动力学特性双控制体Bulk Flow模型

为快速准确预测袋型阻尼密封泄漏特性和动力学特性,针对传统单控制体Bulk Flow模型预测精度低、无法预测交叉动力系数的问题,提出了袋型阻尼密封双控制体Bulk Flow模型和动力学特性数值预测方法,并开发了计算程序。首先,依据边界层理论,将袋型密封腔室划分为两个控制体,推导了控制体的连续性、周向动量和能量方程,引入Swamee-Jain和Takahashi方程,计算流体-壁面间和流体-流体间的周向黏性摩擦力;其次,采用牛顿-拉夫森算法和摄动分析法分别求解0阶和1阶控制方程,获得各刚度、阻尼动力特性系数;然后,通过与袋型阻尼密封泄漏量和动力特性系数的实验值、单控制体Bulk Flow模型和非定常计算流体动力学(CFD)数值结果进行比较,验证了模型和方法的准确性和可靠性;最后,研究了转子转速(10 000、15 000、20 000 r/min)和预旋比(0.067、0.724、0.997)对袋型阻尼密封动力学特性的影响。结果表明:所发展的模型和方法具有计算速度快、预测精度高(泄漏量预测误差小于6%,动力特性系数预测误差小于38%)的优点;转子转速和进口预旋的增大均会导致袋型阻尼密封有效阻尼显著减小,穿越频率显著增大,易诱发轴系失稳。

袋型阻尼密封动力特性分析及对转子稳定性的影响

密封动力特性对透平机械转子系统稳定性影响较大。文中应用非定常动网格技术建立了考虑转子涡动的袋型阻尼密封动力特性求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,比较分析了转子涡动频率、涡动振幅对传统迷宫密封和袋型阻尼密封动力特性的影响,基于密封气动功方法定量分析了袋型阻尼密封的抑振机理。研究结果表明：与传统迷宫密封相比,袋型阻尼密封的周向隔板降低了密封腔内气流的周向速度,其泄漏特性与传统迷宫密封相当;在所研究的工况下,袋型阻尼密封指向转子涡动中心的径向气流力以及与转子涡动速度方向相反的切向气流力均大于传统迷宫密封,有效地降低了转子涡动振幅和涡动速度;与传统迷宫密封相比,转子涡动频率和涡动振幅越大,袋型阻尼密封气动功的绝对值越大,抑振效果越好。

袋型阻尼密封泄漏流动和转子动力特性的研究进展

袋型阻尼密封可以有效地减弱密封间隙内泄漏流体的周向流动,从而使转子具有优良的动力特性.本文简介了袋型阻尼密封的发展历程,详细综述了袋型阻尼密封的泄漏和转子动力特性的理论分析、实验测量和数值预测的研究进展.介绍了袋型阻尼密封转子动力特性的系统阻抗法和腔室动态压力响应法两种实验测试技术及其应用.最后在袋型阻尼密封研究综述的基础上,展望了袋型阻尼密封的研究重点和发展方向.

袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动预测模型

为了满足宽频域下阻尼密封转子动力特性的计算要求,针对单频涡动模型计算量大的问题,提出了采用动网格技术和非定常数值方法来预测袋型阻尼密封转子动力特性的多频单向涡动模型.以转子多频单向涡动位移作为激励信号,采用非定常方法和动网格技术进行了三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的数值求解,从而获得了袋型阻尼密封的瞬时流体激振力.通过快速傅里叶变换,在频域内计算了10个频率的8个转子动力特性系数,并与实验值进行了比较.结果表明:数值计算得到的袋型阻尼密封转子动力特性系数与实验值吻合良好,从而验证了基于多频单向涡动模型的数值方法能够可靠预测袋型阻尼密封转子动力特性.

袋型阻尼密封的非定常动力学特性研究

在燃气轮机中,密封系统的好坏对燃气轮机性能的影响十分明显。其中袋型阻尼密封由于其低泄漏、高阻尼的特点,既能提高了燃气轮机的效率又有效地减少其转子的振动。本文运用ANSYS-CFX软件分别对8齿传统袋型阻尼密封、8齿贯通挡板袋型阻尼密封进行数值计算,结果表明:密封腔内气体作用力的切向分力有助于降低转子振动速率,而其径向分力有助于降低转子振动幅值。

结构参数对贯通挡板袋型阻尼密封动力特性的影响

与迷宫密封不同,由于有轴向挡板的存在,贯通挡板袋型阻尼密封能提供较大的阻尼,成为抑制旋转机械系统振动的潜在的有效元件。为探究结构参数对该种密封动特性的影响,对扰动下的贯通挡板袋型阻尼密封-转子系统进行受力分析;选定若干组腔室深度、密封间隙、基本腔室宽度,建立数值仿真模型;利用CFD方法计算给定轴颈涡动下密封间隙和腔室中的流动情况,获得扰动作用下轴颈受到间隙气流的径向作用力,求得密封-转子系统8个动特性系数;分析该型阻尼密封的腔室深度、密封间隙、基本腔室宽度3种结构参数对其动特性系数的影响规律。结果表明:刚度系数中直接刚度为主导因素,且随腔室加宽加深单调增加;直接阻尼和交叉阻尼量级相仿,且较大的腔室深度和较小的密封间隙有利于取得较好的阻尼特性;通过选择尽可能深的腔室深度和尽可能小的密封间隙,以及恰当的密封宽度和齿数,可获得更好的密封动力特性。

锥形间隙对袋型阻尼密封气流力影响机制研究

为探讨锥形间隙对袋型阻尼密封气流力的影响,建立锥形间隙袋型阻尼密封数值求解模型,研究进出口压比、偏心率、转速及锥形度对袋型阻尼密封气流力的影响;设计密封气流力实验台,分析在不同进出口压比及偏心率下锥形间隙袋型阻尼密封气流力的大小;通过密封压力分布规律揭示锥形间隙对袋型阻尼密封气流力的影响机制。研究结果表明:随着进出口压比,偏心率的增大,密封周向楔形间隙内流体动压效应增强,收敛间隙袋型阻尼密封与等间隙袋型阻尼密封的径向气流力增大,发散间隙袋型阻尼密封径向气流力绝对值增大。当转速为0时,密封切向气流力为0,随着转速的提高,密封的切向气流力逐渐增大,密封间隙内气流的周向流动是形成切向气流力的主要原因。收敛间隙袋型阻尼密封沿气流流动方向,密封径向间隙不断减小,气体的聚集使得密封腔中压力升高,径向压差增大,从而产生较大的径向气流力。

袋型阻尼密封动力特性数值与实验研究

通过非定常动网格技术,建立了袋型阻尼密封动力特性多频椭圆涡动求解模型,在实验验证求解模型准确性的基础上,研究了袋型阻尼密封腔室轴向长度、周向挡板数量及深度对密封动力特性的影响;并对不同周向挡板数量的等腔室袋型阻尼密封的泄漏特性进行实验研究。研究发现,密封腔室轴向长度为d=4/8mm的传统袋型阻尼密封比d=10mm的等腔室袋型阻尼密封的有效阻尼Ceff约增加21.5%;随着二次腔室轴向长度从d=10mm减小到d=6mm,有效阻尼Ceff约增加14.1%,流体压缩效应更加明显,增加了腔室内的动压,有利于抑制转子涡动。等腔室袋型阻尼密封的周向档板数量对其阻尼系数有显著影响,当涡动频率大于200Hz时,挡板数从24减少到4时,有效阻尼Ceff约增加37.8%,稳定性明显提高。当袋型阻尼密封空腔深度从3mm增加到6mm时,等腔室袋型阻尼密封的交叉刚度较大、Ceff约减小51.7%,稳定性降低。

高参数贯通式袋型阻尼密封动力特性

采用计算流体力学方法建立贯通式袋型阻尼密封(FPDS)三维数值计算模型,基于多频椭圆涡动轨迹的密封动力特性求解方法研究了高进口压力、转速及预旋比对FPDS动力特性的影响。结果表明:保持进口压力为7 MPa不变,随压比的增加,有效阻尼增加,穿越频率逐渐减小;压比为7时,有效阻尼随进口压力增加而急剧增大,进口压力为7 MPa时有效阻尼约为进口压力为0.69 MPa的10.26倍,系统稳定性增强显著。当转子转速为25000 r/min时,较转速为5000 r/min,穿越频率可增加约62.2 Hz,有效阻尼约降低28.5%,交叉刚度增长约6.94倍,高转速严重影响系统稳定,但转速增大有利于在腔室内形成旋涡,降低密封泄漏。当预旋比为0时,系统最稳定,当增加到预旋比为0.8,交叉刚度约增长4.84倍,穿越频率约增加24.9 Hz,有效阻尼下降,导致系统稳定性降低。

高转速袋型阻尼密封泄漏的特性

采用有限元分析和计算流体动力学耦合数值分析方法(FEA/CFD),研究了考虑转子系统由于高速旋转造成转子径向伸长效应时袋型阻尼密封的泄漏特性和流场形态.计算了密封间隙为0.13mm时,袋型阻尼密封试验件在3种压比、3种转速下的泄漏量,并与试验值和不考虑转子伸长效应的CFD数值模拟结果进行了比较,验证了所采用的FEA/CFD数值方法的可靠性(误差小于1.3%)和高转速下考虑转子伸长的必要性.研究了6种压比、6种转速下密封间隙为0.25mm的袋型阻尼密封的流场和泄漏量,分析了压比和转速对袋型阻尼密封泄漏特性的影响规律.结果表明:当压比大于0.26时,随压比的减小,袋型阻尼密封泄漏量逐渐增大;当压比减小到一定值时(π<0.26),泄漏流体的马赫数在最后一个密封齿间隙处达到1.0,即发生了堵塞,此时泄漏量达到与密封进口总压相对应的最大值;在高转速下,考虑和不考虑转子半径的伸长,密封泄漏量均随转速的增大而减小;在转子面周向马赫数大于0.35时,需要考虑转子半径伸长对泄漏量的影响.

基于变厚度挡板的新型渐扩/渐缩袋型阻尼密封动力特性研究

对传统贯穿式袋型阻尼密封进行改进,通过改变其挡板沿轴向厚度,实现腔室体积沿轴向渐扩/渐缩。建立渐扩式、渐缩式及传统贯穿式袋型阻尼密封结构数值计算模型,应用基于微元理论的密封动力特性系数理论识别方法研究了渐扩(缩)角、进出口压力、转速对新型密封动力特性的影响。结果表明:新型渐扩/渐缩袋型阻尼密封的有效阻尼系数均大于传统贯穿式袋型阻尼密封,其中渐扩式袋型阻尼密封稳定性最好,且3种密封穿越频率变化较小;渐扩(缩)角越大,密封有效阻尼越大;在高频下,有效阻尼系数随进出口压差增大而逐渐增大;转速的升高会降低密封有效阻尼系数,增大穿越频率,进而降低系统稳定性。

凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性影响机理

采用非定常动网格技术建立了袋型阻尼密封泄漏特性和动力特性多频椭圆涡动求解模型,在验证求解模型准确性的基础上,研究了压比、转速和凹槽位置不同时凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了袋型阻尼密封轴向与周向的流速和压力分布特性,揭示了凹槽射流对袋型阻尼密封泄漏特性和动力特性的影响机理。研究表明:凹槽射流增强了袋型阻尼密封直通效应,削弱了基本腔室内气流动能的耗散作用,增大了泄漏量,当压比由2增至6.9时,相比无凹槽袋型阻尼密封,有凹槽袋型阻尼密封泄漏量增大11.75%~12.67%。凹槽射流可减小袋型阻尼密封交叉刚度,增大直接阻尼和有效阻尼,且转子低频(频率小于120 Hz)涡动时效果更显著;凹槽射流可抑制下游腔室内气流的周向流动,降低周向压差,使周向压力分布更均匀,提高转子稳定性;凹槽结构参数相同时,基本腔室出口密封齿周向二等分点为最佳凹槽位置,此时袋型阻尼密封具有最小交叉刚度、最大直接阻尼和有效阻尼。

周向发散式袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性数值研究

提出一种周向发散式袋型阻尼密封结构,建立了袋型阻尼密封多频椭圆涡动求解模型,在实验验证求解模型准确性的基础上,研究了进出口压比、偏心率对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了两种袋型阻尼密封的转子稳定性。结果表明:两种袋型阻尼密封的泄漏量平均相差0.89%,两者泄漏特性相当。传统袋型阻尼密封在转子偏心状态时各腔室存在较大周向压力差,周向发散式袋型阻尼密封各腔室压力分布基本均匀;两者切向气流力与转子涡动方向相反,均抑制转子的涡动,且周向发散式袋型阻尼密封的切向气流力是传统袋型阻尼密封的2.29倍;周向发散式袋型阻尼密封的平均有效阻尼是传统袋型阻尼密封的1.29倍,周向发散式袋型阻尼密封可提高转子系统的稳定性。

贯通式袋型阻尼密封动力特性影响因素研究

采用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)方法建立了贯通式袋型阻尼密封(fully partitioned pocket damper seal,FPDS)三维数值模型,并研究密封齿数Nb、密封齿厚度b及主/副腔室长度比λ对密封动力与泄漏特性的影响。结果表明:FPDS有效阻尼Ceff与直接刚度K的频率依赖性较高,直接阻尼C与交叉刚度k的频率依赖性较低且随着涡动频率的增加而降低;有效阻尼Ceff随齿数、密封齿厚度的增加而增大,而主/副腔室长度比对Ceff影响相对较小,在研究工况范围内,Nb=12时Ceff最高,较原始模型平均提高约12.69%,密封齿厚度b=5.048 mm时有效阻尼Ceff为原始模型的111%~138%,当主/副腔室长度比λ=5.1时有效阻尼Ceff仅为原始模型95%~105%;FPDS泄漏量随密封齿数减小而急剧增加,且主/副腔室长度比λ存在最佳值(λ=1)使密封泄漏性能最优,而密封齿厚度对密封泄漏量影响较小。

透平机械阻尼密封技术及其转子动力特性研究进展

针对透平机械的气流激振问题所发展的阻尼密封技术的研究现状进行了综述。详细介绍了三种典型阻尼密封技术袋型阻尼密封、蜂窝阻尼密封和孔型阻尼密封的结构特点、动力学特性和阻尼机理及研究和应用现状。介绍了所开发的用于预测孔型阻尼密封转子动力特性的基于两控制容积Bulk Flow理论的模型和算法,并采用具有试验数据的孔型阻尼密封进行验证。最后对阻尼密封技术的设计、研发及在透平机械行业的应用前景进行了展望,以期对我国透平机械的密封系统的研发提供理论基础和技术参考。