新型负错位密封抑制气流激振机理与结构优化研究

With the development of rotating machine operating parameters, the air induced force generates in seal is increasingly becoming one of the most important factors to influence the stability of the rotor system. Air induced force increases as hydrodynamic action in seal becomes bigger with the rotating machine operating parameters intensifying. The project presents a new kind of negative dislocated seal based on the dislocated bearing theory, it can eliminate hydrodynamic action and reduce air induced force.The project will carry out theoretical analysis, numerical calculation，and experimental studies for the new negative dislocated seal. The project will clarify the hydrodynamic action in air induced vibration force, and set up theory model for static and dynamic characteristics of the new seal. Synchronous excition method using unbalance force is used to identify seal dynamic coefficients. The project will illustrate the mechanism of air induced force in negative dislocated seal based on the above mentioned theoretical and experimental research results.Research result of this project will present further improvement of the air induced vibration mechanism, and provide a new idea for air induced vibration reduction in seal, obtain the influence rule on the structural parameters for static and dynamic characteristics of the new seal to design and optimize the negative dislocated seal.Research result of this project will present a new seal, and a new method is proposed for the improvment of the stability of the seal.

随着旋转机械工作介质向高参数方向发展，密封气流激振力成为影响旋转机械转子稳定性的重要因素之一。介质参数提高后，流体动压效应增强，密封气流激振力增大。本项目借鉴错位轴承理论提出一种新型负错位密封结构，可降低流体动压效应，抑制密封气流激振力。本项目拟从理论分析、数值计算、实验研究三方面对新型负错位密封抑制气流激振机理进行深入研究，应用CFD技术建立新型密封静力与动力特性求解模型，应用不平衡同频激励法实验识别密封动力特性系数，在数值计算与实验研究基础上，揭示流体动压效应对密封气流激振影响机理，阐明负错位密封抑制气流激振机理，获得结构参数对负错位密封静力与动力特性影响规律，优化设计新型密封结构。本项目提出一种新型密封结构，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、燃气轮机、压缩机、航空发动机等旋转机械的关键部件，起着防止工作介质泄漏和节能降耗的关键作用。近年来，随着旋转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旋转机械的瓶颈问题。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，研究了轴颈涡动轨迹与涡动频率对滑动轴承动力特性的影响，比较分析了圆轴承、椭圆轴承、错位轴承油膜压力分布特性。在此基础上，借鉴错位轴承理论提出新型负错位密封结构，从理论分析、数值计算、实验研究三方面对新型负错位密封抑制气流激振机理进行了深入研究。研究结果表明，密封间隙流体周向压力呈正弦规律分布；密封切向气流力主要是由于密封内气流的周向流动而产生的；径向力主要是由于转子偏心产生的，偏心转子密封周向楔形间隙内流体动压形成的流体动压效应会加剧密封切向气流力。保留密封两端圆形密封齿结构，将内部局部密封齿腔设计为交错形式的密封结构减小了密封泄漏的直通效应，有效降低密封泄漏量，使得负错位密封与传统圆形密封泄漏特性相当；密封的泄漏量随偏心率与错位率的增加而增大；与传统圆形密封相比，负错位密封形成发散的楔形间隙，降低流体动压效应，降低周向压力差，减小密封的切向力；随着偏心率的增加，密封直接与交叉刚度及交叉阻尼的绝对值均增大，直接阻尼降低；与传统圆形密封相比，负错位密封可有效降低密封的交叉刚度，增加密封的主阻尼，增加密封的等效刚度与等效阻尼，提高密封稳定性。本项目揭示了流体动压效应对密封气流激振影响机理，阐明了负错位密封抑振机理，获得了结构参数对负错位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。