具有前置凸台防旋板的汽轮机交错齿迷宫密封动力学特性研究

为提高汽轮机多级轴端迷宫密封动力学性能,针对汽轮机两级轴端交错齿迷宫密封,开展了具有前置凸台的新型防旋板结构方案设计和止旋抑振性能评估。首先,针对两级轴端交错齿迷宫密封,设计了一级和两级传统防旋板、一级和两级前置凸台新型防旋板等动密封防旋板结构方案,并建立了具有“虚拟旁路边界”的有、无防旋板多级交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对多级动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的动密封气流激振动力学特性(CFD)摄动数值预测方法,对比分析了无防旋板、传统防旋板和新型前置凸台防旋板作用下,两级交错齿迷宫密封泄漏特性和气流激振动力学特性;最后,通过分析不同防旋板结构方案下,两级交错齿迷宫密封腔室旋流发展、腔室速度场和动态压力分布、转子面气流激振力,阐明了防旋板的止旋抑振机制。结果表明:无防旋板的迷宫密封具有最低的泄漏量,一级传统防旋板或一级前置凸台防旋板的设置会使密封齿数减少,导致密封泄漏量增加约4.5%;相比于一级防旋板,具有两级防旋板的迷宫密封泄漏量增加约5.5%;相比于传统防旋板,前置凸台防旋板可减小交叉刚度、增大有效阻尼;相比于一级防旋板,两级防旋板可减小高涡动频率下的交叉刚度、增大直接阻尼,进而提高密封的有效阻尼;在传统防旋板的基础上设置前置凸台可提升防旋板的止旋性能,且两级防旋板可有效抑制密封下游区域的旋流发展,能显著提升迷宫密封动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

进口防旋板对孔型密封非定常气流激振特性的影响

为了展示透平机械密封系统设计中进口防旋板在改善密封转子动力特性和增强转子系统稳定性的止旋方面的性能,采用基于转子多频椭圆轨迹涡动模型和动网格技术的非定常数值方法,研究了进口防旋板对孔型密封非定常气流激振力和转子动力特性系数的影响,计算分析了进口预旋比分别为0和0.6时2种进口防旋板结构的孔型密封转子动力特性系数、非定常气流激振力和流场特性,并与实验结果进行了对比。研究表明:非定常数值方法能够准确预测与频率相关的孔型密封转子动力特性系数;进口预旋可显著减小孔型密封的有效阻尼、增大有效阻尼项的穿越频率,易诱发转子涡动失稳;进口防旋板能够有效减小孔型密封的进口旋流速度、孔型密封的交叉刚度和有效阻尼穿越频率,增大孔型密封的有效刚度和有效阻尼,进而提高转子系统的稳定性。

阻旋栅对梳齿密封动静特性影响研究

阻旋栅可改变密封进口流体周向流动与进口预旋,是提高系统稳定性的主要方法之一.本文作者应用计算流体力学方法研究了阻旋栅几何参数对梳齿密封动静特性的影响,计算分析了阻旋栅在不同长度、间隙、周向个数及不同进口预旋比下密封流场分布与动力特性系数,并与无阻旋栅梳齿密封进行对比.研究表明:阻旋栅能够有效抑制密封进口周向流动、降低密封腔室周向压力;随着阻旋栅周向个数与阻旋栅间隙的减小,其抑制效果增强,阻旋栅长度的增加对周向速度影响则越来越小;提高预旋比将使密封内流体周向速度增加.与传统梳齿密封相比,具有阻旋栅的梳齿密封直接阻尼增加,交叉刚度降低,进而有效阻尼提高.阻旋栅间隙s=0.20 mm、长度l=3.25 mm、数量n=90时密封有效阻尼较大,系统稳定性最好.

防旋板结构的迷宫密封转子动力特性研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术求解非定常RANS方程,研究了高低两种预旋比下具有防旋板结构的迷宫密封气流激振转子动力特性。分析对比了在预旋比分别为0.13和1.32时无防旋板结构迷宫密封(Design 1)、带进口防旋板结构迷宫密封(Design 2)、在Design 2的基础上增加二级防旋板迷宫密封(Design 3)的平均周向速度、泄漏量、转子动力特性系数。数值模拟得到的Design 1的泄漏量和转子动力特性系数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的准确性。研究表明:高预旋比会导致Design 1的直接刚度和有效阻尼降低,并使直接阻尼与交叉刚度增加;预旋比为1.32时Design 2相对于Design 1能明显降低交叉刚度,且降幅达到63.3%~86.3%,Design 3相对于Design 2的交叉刚度降低了12.9%~39.4%;预旋比0.13时Design 2的交叉刚度小于0,Design 3的交叉刚度绝对值相对于Design 2增加了24.4%~153.0%;Design 2相对于Design 1在预旋比为1.32时有效阻尼项穿越频率从175.1 Hz降低到28.3 Hz,预旋比为0.13时在20 Hz之后的有效阻尼增加31.6%~60.0%;Design 3相对于Design 2在预旋比为1.32时消除了有效阻尼的穿越频率,在预旋比为0.13时有效阻尼增加26.9%~38.0%。在两种预旋比下设计二级防旋板会略微降低直接刚度,减小交叉刚度,增加直接阻尼。本文工作可为增加迷宫密封转子动力特性的防旋板设计提供参考。

防旋板与转子面一体化设计的迷宫密封转子动力特性研究

为提高迷宫密封转子动力特性,开展进口和腔室防旋板与转子面一体化设计的迷宫密封结构转子动力特性研究。基于进口防旋板结构的迷宫密封(结构1),设计了进口和腔室防旋板结构的迷宫密封(结构2),以及基于结构2的带有腔室防旋板与转子面凹槽和凸台结构一体化设计的密封结构3和4。采用转子多频椭圆轨迹涡动模型和动网格技术的非定常Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS)数值求解方法,对比分析了变进口预旋条件下4种迷宫密封的泄漏特性和转子动力特性。研究表明:相比于进口防旋板密封,腔室防旋板和转子面一体化设计的凹槽和凸台转子面密封,特别是凸台转子面密封能明显降低迷宫密封的泄漏量和交叉刚度;进口预旋比为0.84时,相比于进口防旋板密封,凹槽转子面密封和凸台转子面密封的正有效阻尼分别提高了48.7%~144.1%和59.8%~254.0%;进口预旋比增加为1.32时,凹槽转子面密封和凸台转子面密封在整个频率范围内仍保持最大有效阻尼。腔室防旋板和转子面一体化设计的迷宫密封能显著提高转子稳定性,论文工作为进一步提高迷宫密封的转子动力特性提供了设计方案。

梳齿密封阻旋栅有效性的定量分析与判别

阻旋栅是提高梳齿密封系统稳定性的重要部件,计算分析了阻旋栅-梳齿密封在不同阻旋栅间隙及预旋比下各密封腔室内压力、周向旋流强度及动力特性系数,对阻旋栅的有效性进行定量分析与判别。研究表明:阻旋栅间隙对各腔室内压力影响具有不同的趋势,随阻旋栅间隙减小,C腔室压力减小,而C-C腔室压力增大;提出了周向旋流增长率评价阻旋栅的影响范围,有阻旋栅密封周向旋流增长率沿泄漏方向降低,无阻旋栅密封基本保持不变。随着阻旋栅间隙的减小,阻旋栅对周向旋流的抑制范围增大;阻旋栅间隙的减小将增大C腔室内的交叉刚度,减小C-C内交叉刚度,密封整体有效阻尼提高,稳定性增强;预旋比的增加使得C-C腔室内交叉刚度增加,易引起系统失稳。

阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究

密封动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大,在密封入口端部设置阻旋栅是提高密封稳定性的有效方法。设计加工了无/有阻旋栅共5种密封结构,从数值分析与实验研究两个方面研究阻旋栅对密封静力与动力特性的影响规律。建立阻旋栅密封静力特性CFD理论模型,数值分析阻旋栅对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;应用不平衡同频激励法实验研究阻旋栅对密封动力特性的影响。研究结果表明:阻旋栅可降低密封的泄漏量,减小密封内流体的切向速度,进而降低密封内流体的周向压力差,且随着阻旋栅周向稠度与径向长度的增加,这种作用逐渐增大,这是阻旋栅抑制气流激振力的主要原因;预旋是密封产生交叉刚度的重要因素,密封的交叉刚度随进出口压比与转速的增加而增大;阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度,增加密封的主阻尼,提高密封的稳定性。本文研究揭示了阻旋栅抑制密封气流激振力的机理,为设计阻旋栅密封提供理论依据。

汽轮机叶顶汽封间隙内的流动形态分析

采用k-ωSST紊流模型和三维RANS方程求解方法,数值研究了平齿汽封、高低齿汽封、侧齿汽封和阻旋齿汽封四种叶顶汽封腔室内部的泄漏流动特性和涡系相互作用规律,旨在揭示叶顶汽封结构变化对泄漏涡动的影响。研究结果表明:叶顶汽封腔室泄漏流体的周向速度是影响旋涡耗散的一个重要因素。高低齿及侧齿的汽封结构依靠增强旋涡之间的相互作用来降低泄漏流体的周向速度,而阻旋齿的汽封结构具备更好的周向阻隔作用,可使旋涡在腔室内的耗散更加充分。在汽封出口,阻旋齿汽封的掺混损失最小,泄漏总损失较高低齿及侧齿汽封分别下降了3.55%和0.59%.

预旋对阻旋栅密封泄漏特性与动力特性影响机理

应用非定常动网格技术,建立了阻旋栅密封多频椭圆涡动泄漏特性与动力特性求解模型,研究了周向含20、40个阻旋栅和40个加长型阻旋栅密封在不同预旋比下的泄漏特性与动力特性,并在实验验证数值模型准确性基础上,分析了预旋对密封进口流场,密封腔室旋流强度,周向压差及气流激振力影响,揭示了预旋对阻旋栅密封泄漏特性与动力特性影响机理。研究结果表明:阻旋栅密封突出特点在于抑制气流激振,对泄漏量影响不大,当预旋比λ0为0.75,40个加长型阻旋栅密封泄漏量相比无阻旋栅密封降低了0.17%,这主要是预旋增大使周向气流流速增加,加剧了阻旋栅之间的涡流能量耗散现象;而阻旋栅数量增加有利于气流在阻旋栅之间的涡流能量耗散。阻旋栅密封交叉刚度随预旋比增大而增大,随阻旋栅数量或长度增加而降低;直接阻尼和有效阻尼随预旋比增大而减小,随阻旋栅数量或长度增加而增大。预旋比增大使密封腔室周向压差升高,气流激振力切向分力与径向分力增大,转子稳定性降低。

防旋板高度对迷宫密封泄漏流动和转子动力特性的影响

采用基于转子多频椭圆涡动模型的Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程求解方法,研究了防旋板高度与第1个迷宫齿前缘高度相同时,防旋板高度对迷宫密封泄漏流动和转子动力特性系数的影响。计算分析了典型中等进口预旋条件下,无防旋板结构以及防旋板高度为1.85,3.7和7.4 mm时,密封泄漏量、气流周向速度与转子动力特性系数。研究结果表明:防旋板高度对密封泄漏量的影响可以忽略;当防旋板高度与第1个迷宫齿前缘高度相同时,存在最佳防旋板高度使得防旋板下游气流周向速度最低;防旋板高度增加能够降低进口腔室区域内周向压力波动,进而降低正切向气流激振力,同时能够略微增加防旋板下游腔室区域内负切向气流激振力,使密封转子稳定性增强,但是密封直接刚度在低涡动频率范围内(<162 Hz)随防旋板高度增加而降低。