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梳齿密封直接刚度系数实验识别_周庆辉.pdf
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1、第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();上海市自然科学基金资助项目()作者简介:周庆辉(),男,安徽马鞍山人,硕士研究生,研究方向为透平机械密封动力学。张万福(通信作者),男,副教授,博士,电话():;:。文章编号:():梳齿密封直接刚度系数实验识别周庆辉,张万福,杨兴辰,潘渤(上海理工大学 能源与动力工程学院,上海 ;西安热工研究院有限公司,西安 )摘要:设计并搭建梳齿密封直接刚度系数识别实验装置,研究了不同转速下激振频率和进口压力对密封直接刚度系数的影响,并与 中的 模型理论计算结果进行对比。结果表明:在任意工况下,所测的梳齿密封直接刚度
2、系数均为负值,易出现转子不稳定现象;直接刚度系数随着转速、进口压力和激振频率增大而减小,转速对直接刚度系数的影响较小,且直接刚度系数与高频激振频率相关性较强;理论计算与实验结果吻合较好。关键词:梳齿密封;直接刚度系数;气流激振;稳定性;理论中图分类号:文献标志码:学科分类号:,(,;,):,:;梳齿密封被广泛应用在燃气轮机、汽轮机及航空发动机等透平机械中,对提高机组工作效率有重要作用。工质流经梳齿密封腔时会产生作用在转子上的密封气流力,易引起气流激振及转子失稳问题,开展梳齿密封气流激振研究越发重要。密封直接刚度系数对系统稳定性有重要影响,首次提出周向间隙不均匀会导致轴向流阻在周向出现差异,进而
3、产生周向非均匀分布的流体 压 力 现 象,即 效 应。等和 研究了梳齿密封在长径比为 、进口压力为 时的转子动力学特性,结果表明激振频率和压比越大,直接刚度系数越小,且直接刚度系数对激振频率的依赖性较大。曹浩等和张万福等 通过实验与数值计算方法分析了转速和压力对直接刚度系数的影响,发现直接刚度系数随着转速提高变化较小,随着进口压力增大而显著增大。等 采用 方法计算了种梳齿密封齿结构(定子齿、交错齿)的直接刚度系数,结果表明在任意工况下定子齿的梳齿密封的直接刚度系数均为负值,且随着涡动频率增大而缓慢减小。司和勇 建立了密封转子的多频涡动模型并分析了转子涡动形式对刚度系数的影响,得出转子在半锥形涡
4、动下的直接刚度系数波动明显,且是正常涡动下直接刚度系数的倍。等 对梳齿密封直接刚度系数进行了实验测试,并将实验值与 结果进行对比,结果表明进口压力对局部直接刚度系数影响显著,且当局部直接刚度系数在进口压力为 时达到最小值。马凯等 开展了密封静态刚度系数识别方法研究,并建立了三维计算流体力学模型,研究了不同偏心率与进口压力下梳齿密封静态特性,分析了密封静态不稳定形成机理。李志刚等 采用数值方法研究了不同压比、预旋及偏心率下袋式阻尼密封静态刚度系数与流场特性,指出非阻塞状态下密封直接刚度系数为正值,且随偏心率增大而逐渐增大。负密封直接刚度系数易引起转子系统静态不稳定现象。等 通过理论计算方法研究了
5、密封直接刚度系数产生的原因,指出流动处于阻塞状态时会产生负直接刚度系数。张盟等 针对不可压缩流体密封的弹性支撑问题,分析了负直接刚度系数产生原因,发现等截面环形小间隙密封在高转速工况下易产生负直接刚度系数。等 通过 实 验 测 试 了 气 液 两 相 梳 齿 密 封(长 径 比 为 )在不同压比(、和 )、转速(、和 )及预旋比下的直接刚度系数,结果表明在零预旋下直接刚度系数为负值,且液体含量增多时密封气流力和直接刚度系数均会减小。等 对高偏心下环形密封进行了测试,指出只有在高偏心、零转速和出口段堵塞情况下易产生负直接刚度系数,随着转速升高,负直接刚度系数可能会转为正值。等 采用实验与数值方法
6、对比分析了梳齿密封静态直接刚度系数,指出密封直接刚度系数均为负值,且出现静态不稳定现象,直接刚度系数绝对值随着进口压力和偏心率增大而增大。笔者基于密封气流激振实验平台,对不同激振频率、进口压力及转速下梳齿密封直接刚度系数进行实验识别,并与 理论计算结果进行了对比分析。实验装置与方法 实验装置与密封结构本文实验研究基于密封气流激振实验平台,如图所示,最高转速与最大进口压力分别为 和 ,该实验平台可进行转子轴承密封系统的泄漏与动力特性、转子轴系振动、气流激振和稳定性等实验。实验中使用高速变频直驱电机控制器调节输出转速,力、振动、压力和流量等数据通过多通道振动数据采集仪上传至上位机软件。图密封气流激
7、振实验平台 密封实验气缸在垂直与水平方向采用弹性支撑,高压气体从气缸中部进入,流经两边梳齿密封,排至背压腔和背压密封,最终排入大气。通过对转子密封系统开展激振实验,识别不同转速、进口压力下密封直接刚度系数。为模拟转子小位移涡动情况,通过调节激振器输出力的大小将气缸相对位移幅值变化控制在密封间隙的 以内,目标激振频率幅值变化保持在 以内。梳齿密封局部示意图及尺寸分别如图和表所示,密封段总长度为 ,转子直径为 ,密封平均半径间隙为 ,单侧密封包括 个梯形密封齿。直接刚度系数识别方法当转子在静平衡位置上受到位移或速度小扰动时,作用在转子上的气流力与扰动之间是非线性关系,当扰动较小时,可理想化为线性关
8、系:动力工程学报第 卷图梳齿密封几何结构局部示意图 表密封几何参数 参数数值参数数值长度 密封齿厚度 直径 密封腔高度 间隙 齿底部宽度 齿数 腔室顶部宽度?()式中:为密封气流力在方向上的作用力;为在初始位置上密封气流力在方向的作用力;为位移差;?和?分别为和的一阶导数。当气缸在方向上存在偏移时,则直接刚度系数 为:()()式中:为激振频率。实验中转子受力情况如图所示,其中为密封中心,为气缸偏移中心。假设气缸向方向偏移,偏心距为。进气后,气缸所受到的力为,转子所受 到 的 力 为,两 者 互 为 作 用 力 与 反 作 用力,即()图转子密封系统模型 结果与讨论 实验结果与分析 激励频域分析
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