迷宫密封转子动力学特性的数值模拟

　　引　言

　　迷宫密封由于其技术成熟、成本低、安装方便而广泛应用于叶轮机械行业中。随着科技的不断进步,为了满足封严特性的要求,密封间隙的尺寸不断减小;另一方面,转子的柔性不断增大,均会使得自激振动易于发生[1]。研究表明:压气机中的气流激振力主要来自于其中的迷宫密封;而对于汽轮发电机组而言,蒸汽诱发的转子不稳定振动会成为限制机组出力的重要因素。到2001年,国内已有20多台300 MW等级的机组高压或高中压转子由蒸汽激振引发了不稳定振动[1]。根据工程经验,一旦机组发生流体激振而不能满负荷运行时,可以通过更换轴瓦、改进设计的密封结构尺寸、动静间隙大小、在迷宫密封部位安装止涡装置、改变阀门开度和顺序等措施来解决。可见,由迷宫密封所引起的流体激振是汽轮机组不能稳定、满负荷运行的一个重要因素。而研究密封参数(包括边界条件和几何参数)对密封系统动力特性系数的影响,对减小激振力、增强转子的稳定性有重要的工程应用价值。

　　在迷宫密封转子动力特性的预测方面,传统的理论分析方法主要是采用以整体流动BF(BulkFlow)理论为基础的两控制容积法,它是由Scharrer和Childs建立和完善的[2]。随后,Childs等人利用1控制体和2控制体BF模型对进口压力为7MPa的20齿迷宫密封动力特性进行了预测[3],并与实验值进行了对比,由于预测结果不太理想,他们建议采用CFD方法来验证实验结果。两控制容积方法虽然在预测泄漏量上具有较高的精度,但在预测转子动力特性方面是不太理想的。随着计算机技术和计算流体动力学的发展,CFD方法在分析迷宫密封动力学特性方面得到了相应的应用。Moore利用商用软件SCISEAL成功计算了具有8个静子齿的迷宫密封动特性[4]。Toshio利用商用软件CFX-TASCflow计算分析了5个静子齿迷宫密封的动特性[5]。黄典贵[6]对迷宫密封流场进行了三维非定常数值求解,得到了密封内气流激振力和动特性系数。陆颂元利用Fluent商用软件[7],采用二维轴对称计算网格,得出了含3个静子齿的叶顶围带密封(迷宫式)内气流激振力和动力学特性系数。

　　本研究利用商用CFD软件CFX,采用定常方法计算了16齿迷宫密封的转子动力特性系数,研究了进口预旋、压比和转速对迷宫密封转子动力特性的影响规律,并与实验数据和BF方法的计算结果进行了比较。

　　1　计算模型及数值方法

　　1.1　迷宫密封动力学模型

　　当转子在(气体)迷宫密封中心附近作小距离运动时[3],力与位移的关系可用下式来描述:

其中主对角线项(K,C)分别为直接刚度和直接阻尼系数,副对角线项(k,c)分别为交叉刚度和交叉阻尼系数,这4个系数就是需要识别的对象。动力特性系数中,交叉刚度k是促使转子做非同步低频涡动的激振力的来源,反映了转子经受气流横向激振力的大小,k增大时,转子稳定性下降;直接阻尼C反映的是系统阻尼作用的大小,是低频涡动现象的抑制力。一般地,C越大则有利于转子系统的稳定。k和C这两个系数对系统的稳定性特别重要。直接刚度系数K反映的是气流对转子系统刚度的增减作用,交叉阻尼系数c对系统的稳定性影响较小。另外,由式(1)可知,迷宫密封内激振力的研究可以归结为动力特性系数的研究,利用动力特性系数不仅可求出密封系统内的激振力,还可分析出密封系统对整个转子系统稳定性的影响。