密封流体动压效应诱发气流激振机理与新型浮动式自同心密封抑振研究

With the development of rotating machine operating parameters, the rotor instability caused by the seal air exciting vibration has been the bottleneck problem. The mechanism of hydrodynamic action induced air exciting vibration is still uncertain. The air exciting vibration force of the traditional seal is large as a result of the hydrodynamic action caused by the eccentric rotor. The project sets up theory model for static and dynamic characteristics of the seal using computational fluid dynamics method. Synchronous excitation method using unbalance force is used to identify seal dynamic coefficients. The project will reveal the mechanism of air exciting vibration force in eccentric seals and vibration suppression under the condition of concentric rotor eliminating hydrodynamic action based on the above mentioned theoretical experimental research. On this basis, the project proposes a new self-adaption floating seal for suppressing the hydrodynamic action and vibration, including two major concepts of floating seal ring and self-adaption concentric seal ring in order to realize self-adaption concentric function. Especially, the project will pay attention to the theoretical and experimental investigation of vibration suppression of a new self-adaption concentric floating seal and aim to construct the criterion for quantitative analysis of structural parameters of new seal static and dynamic characteristics, which provides the theoretical basis for the design of a new seal. The project will reveal the mechanism of seal air exciting vibration, propose a new floating self-adaption concentric seal to suppress vibration, and provide a new way to improve the stability of seal.

随着旋转机械工作介质向高参数方向发展，密封气流激振引起的转子失稳已成为发展高参数旋转机械的瓶颈问题。目前对密封流体动压效应诱发气流激振机理的认识尚不明确，传统固定式密封由偏心转子密封流体动压效应引起的气流激振力较大。本项目应用CFD技术建立密封静力与动力特性理论模型，应用不平衡同频激励法实验识别密封的动力特性系数，数值分析与实验研究相结合，揭示偏心转子密封流体动压效应诱发气流激振机理，阐明同心转子密封降低流体动压效应抑制气流激振机理。在此基础上，提出抑制气流激振的新型浮动式自同心密封结构，包含密封环浮动式和密封环自适应同心两大理念，实现浮动密封环的自适应同心功能。理论与实验研究新型密封的静力与动力特性，构建新型密封静力与动力特性结构参数定量分析准则，为新型密封结构设计提供理论依据。本项目揭示密封气流激振机理，提出一种抑制气流激振的新型浮动式自同心密封结构，为提高密封抗失稳能力提供新方法。

转子与静子之间的密封结构是汽轮机、压缩机、航空发动机等透平机械的关键部件，起着防止工作介质泄漏和节能降耗的关键作用。近年来，随着透平机械工作介质逐渐向高参数方向发展，密封气流激振引起的转子失稳已成为发展高参数透平机械的瓶颈问题。本项目首先研究了流体动压效应对密封气流激振影响机理，密封与滑动轴承流体动压润滑原理相似，项目建立了考虑轴颈涡动的滑动轴承两相流动力特性求解模型，比较分析了圆轴承、椭圆轴承、错位轴承油膜压力分布特性，研究了偏心转子流体动压效应的产生机理。在此基础上，针对传统固定式密封由偏心转子密封流体动压效应引起的气流激振的问题，提出抑制气流激振的新型浮动式自同心密封结构，从理论分析、数值计算、实验研究三方面对新型浮动式自同心密封抑制气流激振机理进行了深入研究。研究结果表明：本项目应用非定常动网格技术建立了考虑转子多频涡动的滑动轴承和密封动力特性求解模型，构造了考虑实际气体参数与密封齿倾斜角度的迷宫密封泄漏量计算公式，可准确计算分析迷宫密封的泄漏量。设计搭建功能先进的浮动密封性能实验装置具有测试浮动密封浮动响应特性的功能；提出的新型收敛袋型密封所产生的浮动同心力是传统迷宫密封的8.9~10.9倍。在不同进出口压比和偏心率下，传统浮动式迷宫密封均始终处于初始偏心位置，自适应同心性能较差。新型浮动式收敛袋型密封均向转子轴心方向移动，且随着进出口压比和偏心率的增大，浮动响应时间缩短，自适应同心性能增强。理论与实验研究验证了新型浮动式收敛袋型密封具有良好的浮动响应特性和自适应同心性能。本项目揭示了同心转子密封降低流体动压效应抑制气流激振机理，阐明了同心转子密封降低流体动压效应抑制气流激振机理，获得了结构参数对浮动式自同心密封静力与动力特性的影响规律，优化设计了新型密封结构。本项目研究成果提出一种新型抑制气流激振的密封结构，为提高密封抗失稳能力提供新方法。