Page 93 - 《摩擦学学报》2020年第5期
P. 93

648                                     摩   擦   学   学   报                                 第 40 卷

                                                                 [18]
                密封被广泛应用于各类透平机械，起着减少工作                          等 提出了一种流线型阻旋栅，能够有效提高密封有
            介质泄漏、提高机组效率的作用. 随着透平机械运行                           效阻尼. 孙丹等      [19] 提出将叶栅型阻旋栅安装于转子
            参数的不断提高，密封引起的系统稳定性问题愈发突                            上，转子转动时会形成与泄漏方向相反的气流从而抑
            出. 已有研究表明，密封引起的失稳与多种因素有关                   [1-3] ，  制泄漏. 然而，关于阻旋栅几何参数变化对梳齿密封
                                                     [5]
                          [4]
            如Lomakin效应 、Alford效应 、螺旋流动效应 和二                    动静特性影响的研究还较为鲜见，特别是阻旋栅与转
                                      [4]
                    [6]
            次流效应 等，密封腔内由于周向压力分布不均，腔内                           子之间的间隙对密封转子动力学特性的影响规律尚
            最高压力点滞后于密封最小间隙处一定角度，产生                             不明确.
                                                    [7]
            1个与转子位移垂直的切向力，加剧转子涡动 . 减小                              本文作者应用计算流体力学方法研究阻旋栅几
            密封腔内流体周向流动是增强系统稳定性的有效手                             何参数对密封流场与转子动力学特性的影响. 计算分
            段之一.                                               析不同阻旋栅结构下密封内流体周向速度与压力分
                阻旋栅是一系列安装于密封进口前径向分布的                           布规律，应用基于多频轨迹涡动方法求解不同阻旋栅
            栅板，通过流动分离产生反旋流，在栅板间形成涡，一                           结构下密封动力特性系数，并与传统梳齿密封对比.
            方面具有导流作用，另一方面通过湍流耗散减小流体
                                                               1    数值方法
            周向流速. Benckert等 最早提出在密封上游应用阻旋
                               [8]
            栅提高系统稳定性，指出阻旋栅可减小密封进口流体                            1.1    密封动力特性系数求解方法
                                      [9]
            的周向速度与预旋. Nielsen等 最早通过CFD方法研                          本文作者应用基于转子多频涡动模型求解密封
            究阻旋栅对密封流动特性影响，指出阻旋栅对周向流                            动力特性系数 ，通过给定1个转子多频涡动位移作
                                                                           [20]
            动的抑制作用是由于栅板间产生的涡带来的湍流耗                             为激励，采用动网格技术和非稳态方法求解三维
            散作用，且存在1个最佳栅板周向间隔与长度比p/c.                          RANS方程. 图1给出了转子分别在X与Y方向上的涡动
                    [10]
            Moore等 通过改变p/c优化阻旋栅几何，得出p/c的最                      示意图.
                                 [11]
            优值为1.68. Da Soghe等 研究了阻旋栅沿径向和轴                         根据转子小位移涡动理论，密封中的流体激振力
            向的倾角及p/c对密封进口流场的影响，发现沿轴向倾                          (F 、F )、涡动位移(X、Y)、涡动速度( 、
                                                                                              ˙ ˙ )的关系可由
                                                                                              X Y
                                                                    y
                                                                 x
            斜的阻旋栅效果更好，p/c的最佳值介于1.68~2.36.                      式(1)表示：
                        [12]
            Baldassarre等 研究了阻旋栅长度、高度及p/c变化对                      [    ]  [          ]  [  ]  [        ][   ]
                                                                   F x     K xx  K xy  X     C xx  C xy  X ˙
            密封进口流场影响，发现改变阻旋栅长度和高度对栅                             −  F y  =  K yx  K yy  Y  +  C yx  C yy  Y ˙
            板间流场影响不大，随着p/c的减小，进口预旋增大，使                                                                    (1)
            得流体直接流过栅板下部，阻旋栅效率降低. Untaroiu                          对式(1)进行快速傅里叶变换，使时域信号转换为
              [13]
            等 提出阻旋栅有效长度概念，指出有效长度与周向                            频域信号，得到式(2)：
            流速呈负相关，对阻旋栅结构优化起到重要作用. Childs                          [  F xx  F yx  ]  [  H xx  H xy  ][  D xx  D yx  ]
                                                                 −             =                          (2)
              [14]
            等 通过实验与数值方法分析了传统阻旋栅与反旋                                   F xy  F yy   H yx  H yy  D xy  D yy
            流阻旋栅对密封动力特性的影响，得出反旋流阻旋栅                            式中：  H mn = K mn + jΩC mn ，(m, n=x, y)为密封阻抗系数.
            能够有效减小造成密封不稳定的交叉刚度，从而提高                                通过数值求解将获得          F mn D mn ，代入式(2)可求得
                                                                                         、
            有效阻尼. 国内陈尧兴等 研究了进口预旋对密封动                           密封阻抗系数       H mn ，进而可得密封动力特性系数           K mn 、
                                  [15]
            力特性的影响，指出进口预旋会使密封腔内周向旋流                            C mn.
            强度增大、周向压力不均匀性显著增强，导致密封交                            1.2    计算模型
                                [16]
            叉刚度增加. 郭咏雪等 介绍了反旋流密封技术的发                               建立具有阻旋栅的梳齿密封模型，如图2所示，阻
            展现状，指出反旋流密封的研究主要分为两个方面：                            旋栅沿周向布置于梳齿密封上游，图中s为阻旋栅与
            ①通过被动控制措施抑制周向流动，如安装阻旋栅                             转子之间的间隙，l为阻旋栅长度，r为阻旋栅端部半
            等；②通过主动控制措施抑制周向流动，如反旋流喷                            径. 梳齿密封部分由10个齿(在静子上)组成，如图3所
                            [17]
            射技术等. 孙丹等 从数值分析与实验两方面研究了                           示，表1给出了阻旋栅梳齿密封的具体几何尺寸. 为了
            几种不同阻旋栅结构对密封动静特性的影响，指出阻                            研究不同阻旋栅结构对密封动静特性的影响，分别计
            旋栅能有效减小交叉刚度，增加密封主阻尼，提高系                            算了不同阻旋栅尺寸(l=2.25 mm、3.25 mm、4.25 mm，
            统稳定性. 一些新型阻旋栅结构被相继提出，冀大伟                           s=0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm，r=0.508 mm)与周向个
   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98