强声密封中的驻波理论及关键技术研究

在透平机械需要动密封的高压与低压气流区域之间安装一个非直圆柱形谐振管，转子从谐振管内穿过。在线性马达或其他机械装置的激励下谐振管作轴向振动，当激振频率与谐振管内的声场固有频率一致时，谐振管中将产生共振驻波。通过优化设计谐振管几何形状，可以使得谐振管中的驻波声压峰值与外部高压气流压强相当，阻碍气流由高压区域流向低压区域，形成一种新型的非接触式动密封- - 强声密封。强声密封具有结构简单、便于制造、密封可靠等优点。并能避免现有接触式动密封及非接触式动密封的诸多问题，满足现代高速高压透平机械对动密封的更高要求。本项目将集中研究非直圆柱形谐振管内驻波理论的建立、谐振管内驻波波形移动特性、谐振管几何形状优化算法等关键技术问题。最终目标是：建立一套强声密封的原型系统。在该系统中能产生满足动密封要求的强声驻波，为最终研制成功强声密封提供理论支撑和技术依据。

本项目的最终研究目标是建立一套强声密封的原型系统。在该系统中能产生满足动密封要求的强声驻波,为最终研制成功强声密封提供理论支撑和技术依据。本项目已完成了项目计划内容，包括：谐振管内强声驻波建立过程、非直圆柱形谐振管内驻波理论的建立和数值仿真、谐振管内驻波波形移动特性、谐振管几何形状优化算法、强声驻波稳定性对谐振管机械性能的影响等理论及关键技术问题。具体研究成果包括：1.研究了谐振管内强声驻波建立过程。首先，在谐振管内按照驻波沿轴向的衰减规律，给定谐振管内声场的初始分布；其次，利用基于驻波理论的有限差分计算方法获得声波的衰减信号，通过对衰减信号的时频域分析，研究非直圆柱形谐振管用于动密封时的声场固有频率；最终，以该声场固有频率的激励源激励谐振管，通过仿真计算建立起谐振管内的强声驻波。2.在研究过程中采用古典声学理论与气流致声理论相结合，提出了适合于强声密封的非直圆柱形谐振管内驻波理论。3.以有限差分法、有限体积法、间断Galerkin方法分别对非直圆柱形谐振管内的驻波进行了数值仿真计算。4.基于数值仿真计算结果，深入研究了各次谐波声压振幅的变化情况,从能量变换和迁移的角度研究无冲击强声驻波产生的机理。研究非直圆柱形谐振管边界层损耗对于双向声波的振幅和相位的影响。进一步研究双向声波叠加后所产生的驻波的振幅、相位变化及其沿轴向移动的速度等问题。5.利用遗传算法的多点并行搜索、整体搜索策略等优点,建立谐振管几何形状优化算法。对几类非直圆柱形谐振管的几何形状进行了优化计算。6.通过有限元法分析了强声对谐振管机械性能的影响。7.在实验室构造了强声密封的原型系统，对所建立的理论和算法进行了验证。