密封結(jié)構(gòu)對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動力特性的影響分析

李偉 張緯國

摘要：汽輪機(jī)組是較為大型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，一旦發(fā)生了轉(zhuǎn)子振動失去平衡的情況，那么，將會對設(shè)備的整體運(yùn)行，安全性和平穩(wěn)性造成十分嚴(yán)重的影響。近年來，汽輪機(jī)組朝著高參數(shù)以及大容量的趨勢向前發(fā)展，而密封氣流激振成為了轉(zhuǎn)子失去平穩(wěn)性的重要因素之一。在這當(dāng)中，超超臨界汽輪機(jī)組有著更為嚴(yán)重的密封汽流激振問題。文篇文章針對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的具體渦動狀況，構(gòu)建起了相關(guān)轉(zhuǎn)子渦動模型，從而有效地研究了關(guān)于密封氣流激振實際發(fā)生的原因，把數(shù)值模擬和理論算法進(jìn)行了有效的結(jié)合，最終得出了密封結(jié)構(gòu)，會對氣流其轉(zhuǎn)子動力特征產(chǎn)生的實際影響。

關(guān)鍵詞：密封結(jié)構(gòu);汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子;動力特性;影響研究

前言

位于汽輪機(jī)當(dāng)中的隔板汽封有著蒸汽泄漏降低以及機(jī)組效率提升的重要作用，但是由于其祖肉的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所以，蒸汽在經(jīng)過密封間隙過程當(dāng)中會產(chǎn)生十分劇烈的湍流變化。如果轉(zhuǎn)子發(fā)生了偏心的情況，那么，處于密封間隙之中的真氣則會由于軸向間隙的不均勻而造成不平穩(wěn)的流動狀況[1]。此種十分劇烈的湍流振動變化情況，以及不平穩(wěn)的流動情況，都會致使十分大的氣流激振力出現(xiàn)，因為氣流激振所造成轉(zhuǎn)子動力特征的變化，會對轉(zhuǎn)子整體系統(tǒng)的平穩(wěn)性產(chǎn)生十分大的影響，甚至將會直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)情況的出現(xiàn)。因此，必須要對處于密封結(jié)構(gòu)之下的氣流激振形成因素進(jìn)行有效的研究分析，進(jìn)一步調(diào)查得出，密封結(jié)構(gòu)會對轉(zhuǎn)子動力特征以及平穩(wěn)性和安全性的具體影響，在最大程度上保障汽輪機(jī)組能夠得到安全且平穩(wěn)的運(yùn)行，時期能夠正常的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

一、關(guān)于密封結(jié)構(gòu)會對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動力特性的具體影響分析

1.關(guān)于密封泄漏和壓力脈動特性的分析

基于密封泄漏以及壓力脈動特性的角度研究得出密封泄漏，蒸汽會造成葉柵氣動性能的下降，蒸汽在流入葉柵通道的過程當(dāng)中會遭受到通道喔的卷吸夾帶作用，并在此影響之下，對一定范圍之內(nèi)的沿著徑向朝著葉中進(jìn)行遷移。在密封齒頂有著更多的間隙時，將會進(jìn)一步造成動葉根部吸力面二次流出現(xiàn)范圍擴(kuò)大的現(xiàn)象，最終使得根部所產(chǎn)生的損失進(jìn)一步加大。轉(zhuǎn)子在沃頓過程當(dāng)中所產(chǎn)生的壓力波動幅度比凈偏心的壓力波動更高，整體平均壓力波動幅度相差數(shù)值達(dá)到了1.5～2kPa，不僅如此，處于密封內(nèi)部的壓力波動基本上都處于低頻的位置當(dāng)中，在密封入口處，齒頂會出現(xiàn)更大的壓力波動，而在此情況之下，處于密封高壓區(qū)的低頻壓力波會有著更加明顯的波動幅度，這也是致使氣流激振現(xiàn)象進(jìn)一步加強(qiáng)的重要因素之一。

2.關(guān)于轉(zhuǎn)子多頻渦動分析

基于轉(zhuǎn)子多頻渦動分析的視角來看，最終得出密封氣流激振力，主要呈現(xiàn)的是一種非線性變化情況。出現(xiàn)的熱載荷以及動載荷都會進(jìn)一步致使迷宮密封的剛度發(fā)生降低的現(xiàn)象，不僅如此，其直接阻尼更是呈現(xiàn)出先提升后降低的情況。35～55Hz內(nèi)密封的直接阻尼會出現(xiàn)明顯的減少趨勢，從而使得渦動能力的抑制功能進(jìn)一步降低，而在此情況之下，轉(zhuǎn)子對于密封氣流激振現(xiàn)象會有著更加敏感的反應(yīng);當(dāng)出現(xiàn)變工情況之后，密封的具體剛度以及具體阻尼都會產(chǎn)生十分大的變化幅度，在負(fù)荷不斷提升的背景之下，剛度以及阻尼的絕對值將會出現(xiàn)明顯遞增的趨勢，而此時，交叉剛度也會出現(xiàn)較大范圍的波動幅度，因此，使得交叉阻尼在位于低頻階段中的變化十分顯著[2]。在受到了軸向貫通作用不斷降低的影響之下，有效阻尼也會在負(fù)荷進(jìn)一步減少的情況下出現(xiàn)，降低的情況，而此時，密封動力的穩(wěn)定性也呈現(xiàn)出垂直下降的現(xiàn)象;當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子錐形渦洞的情況時，會進(jìn)一步導(dǎo)致密封動力系數(shù)的波動幅度較大，而在這當(dāng)中，半錐形渦洞原本具有的對偶性也會消失。在切向作用不斷加強(qiáng)的情況之下，密封激振也會不斷增強(qiáng)，從而使得密封的有效阻尼出現(xiàn)降低的情況，造成密封動力穩(wěn)定性受到影響，出現(xiàn)不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

3.關(guān)于CFD計算分析

通過CFD計算分析得出，非線性氣流激振力方程有著十分顯著的準(zhǔn)確度。在一定情況之下，非線性氣流震動力會致使轉(zhuǎn)子渦動出現(xiàn)中心偏移的現(xiàn)象，從而使其由原本的周期運(yùn)動轉(zhuǎn)換成為混沌運(yùn)動。在負(fù)荷不斷增加的情況之下，轉(zhuǎn)子運(yùn)動所具備的混沌區(qū)域也會發(fā)生不斷的變化，其變化的主要情況為，在增加之后不斷降低，而在降低到一定幅度時，再呈現(xiàn)出增加的變化趨勢[3]。振動頻率發(fā)生了大約1/2的轉(zhuǎn)速頻率，并且一階臨界的轉(zhuǎn)速頻率和1/2，轉(zhuǎn)速之下的低頻現(xiàn)象發(fā)生。在機(jī)組負(fù)荷持續(xù)增加的情況之下，會致使轉(zhuǎn)子運(yùn)動的混沌區(qū)域進(jìn)一步加寬;在負(fù)荷情況不斷增加的情況之下，會導(dǎo)致最大Lyapunov指數(shù)比零更大，那么，此時就極有可能出現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)性失衡的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)不能夠進(jìn)行正常的運(yùn)作。當(dāng)齒數(shù)由原本的5齒變成了9齒，會進(jìn)一步造成Lyapunov指數(shù)增加的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此，當(dāng)齒數(shù)進(jìn)行適度的減少，會進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)性;當(dāng)處于高負(fù)荷區(qū)域時，在凸臺數(shù)不斷增加的情況之下，原本的混沌現(xiàn)象會出現(xiàn)減弱的情況;轉(zhuǎn)子所具備的實際平穩(wěn)性范圍會在齒長不斷增加的背景之下出現(xiàn)后移，而此時，具體的齒長也會不斷的增加，不僅如此，Lyapunov指數(shù)會呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢。

4.關(guān)于阻尼模態(tài)分析

在充分考慮了軸承的交叉剛度以及實際阻尼之后，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)總結(jié)分析得出，轉(zhuǎn)子一階振型會朝向于豎直面的振動，另外，二階振動會朝著豎直和水平交叉面進(jìn)行不斷的振動，在此情況之下，轉(zhuǎn)子有著與橢圓接近的形狀運(yùn)動軌跡。密封氣流激振情況出現(xiàn)之后，會進(jìn)一步致使一階振型出現(xiàn)一定程度的偏差情況，使得轉(zhuǎn)向發(fā)生一定程度的變化，而這種變化會對轉(zhuǎn)子一階振型的具體幅度值以及平穩(wěn)性有著較大的影響。當(dāng)密封氣流激振達(dá)到了耦合100%THA的情況下，會進(jìn)一步致使一階振型起始點的具體幅度值出現(xiàn)增加的狀況，不僅如此，其初始的偏離角度也會隨之發(fā)生一定的增加。當(dāng)處于變負(fù)荷運(yùn)行的區(qū)域之中時，出現(xiàn)的密封氣流激振現(xiàn)象會進(jìn)一步致使數(shù)減幅系數(shù)降低。

二、小結(jié)

綜上所述，處于密封狀態(tài)之下而出現(xiàn)的密封激振現(xiàn)象會對汽輪機(jī)動力轉(zhuǎn)子的特性造成影響，使得汽輪機(jī)組的平穩(wěn)性以及安全性能受到影響，本篇文章從密封泄漏和壓力脈動特性、密封氣流激振力的非線性變化特性、非線性氣流激振力方程準(zhǔn)確性以及阻尼模態(tài)分析進(jìn)行了研究分析，最終得出了這些因素，都會對汽輪機(jī)動力轉(zhuǎn)子特性造成安全性以及平穩(wěn)性方面的影響。汽輪機(jī)組的平穩(wěn)性對設(shè)備的整體運(yùn)行有著十分大的影響作用，而在未來的發(fā)展過程當(dāng)中，運(yùn)用更加先進(jìn)化的監(jiān)測手段以及振動信號處理，就能夠?qū)γ芊鈿饬骷ふ瘳F(xiàn)象進(jìn)行有效的辨別，通過大數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)驅(qū)動原理，在應(yīng)用阻尼密封的情況之下，進(jìn)一步降低密封氣流激振現(xiàn)象的出現(xiàn)，能夠有效的保障汽輪機(jī)組的平穩(wěn)性。

參考文獻(xiàn)：

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