超临界二氧化碳涡轮密封具有较强的气动特性和转子非线性运动特征,为探究密封气动作用对转子运动的影响,该文通过Fluent用户自定义函数和四阶Runge-Kutta构建转子-密封的非线性涡动模型,实现转子非线性动力学与密封流场的联合求解,得到转子受密封气流激振力作用下自由涡动的动力特性,揭示密封气流激振对转子失稳的作用过程。结果表明不平衡质量力和转子弹性恢复力会使得转子运动呈现弧状的螺旋运动。密封的气体动压作用导致发生转子横向偏移。密封气流激振力呈现带状分布,在工作转速形成明显的振幅,动力系数波动幅度较大。不平衡质量力和气流激振力使得密封有效阻尼较低,更容易发生运动失稳。

为探究转子半锥形涡动时密封汽流激振及动力特性,采用FLUENT用户自定义函数和相对旋转模型实现1000MW机组转子的锥形涡动,展现了半锥形涡动时汽流激振特征,并通过快速傅里叶变换得到密封动力特性,分析了半锥形涡动下转子的动力稳定性。结果表明转子半锥形涡动时,动力系数波动显著。kzz与kyy的绝对值是平行涡动的4倍。直接阻尼czz和cyy发生相反的变化。交叉刚度kzy与kyz均减小,激振力Fz在切向上的作用增强。交叉阻尼在25Hz后相对变化小于35%。锥形涡动对稳定性影响随涡动频率的增加显著增强,不利于转子稳定。密封内湍流效应增强、齿顶射流改变和涡系在空间上的演化会加剧密封内部压力的波动和不均,扩大汽流激振影响,导致转子稳定性降低。

超超临界汽轮机组的蒸汽参数高、转子的直径大,可能使得密封结构的汽流激振问题更加突出。以某1000MW汽轮机超高压缸迷宫密封为例,建立三维密封转子模型,采用改进用户自定义函数(UDF)实现转子的多频涡动模拟。以机组热耗验收工况为边界参数,分析了不同负荷、压比、预旋比下密封动力特性的变化规律。结果表明:高频率下直接刚度受负荷影响明显。密封前后压差增大,蒸汽轴向贯通效应增强,周向旋转减弱,有效阻尼提升。变压比下密封的动力特性变化与变负荷相似。压比增加,有效阻尼增加,密封抑制涡动作用较好。密封动力特性会受到进口蒸汽速度预旋较明显的影响,涡动频率在10Hz以下或55Hz以上时,转子密封的稳定性比较差。