非接触阻尼密封内动态压力时空演化特性和气流激振流固耦合机理研究

Detailed experimental measurements and numerical analysis are conducted to investigate the unsteady leakage flow and fluid excitation in the non-contact damper seals. The mechanisms of the space time evolutionary of the dynamic pressure in the cavity of the non-contact damper seals due to the shaft eccentrical motion is investigated. The effects of the shaft variations and eccentrical motions on the leakage flow characteristics and rotordynamic coefficients of the non-contact damper seals are analyzed. The influences of the geometrical parameters, such as seal cavity and sealing clearance on the unsteady leakage flow are studied. The basic rule of the fluid excitation due to the fluid structure interaction and rotordynamic coefficients at different rotational speeds, pressure ratios and inlet preswirls for different excitation frequencies are summaried. The mechanisms of the space time evolutionary of the dynamic pressure and unsteady leakage flow, as well as the rotordynamic coefficients of the non-contact damper seals are illustrated and discussed. The present research project can be able to supply the theoretical basis and technical support for the advanced non-contact damper seals development and applications in turbomachinery.

对非接触阻尼密封内动态压力时空演化和气流激振转子动力特性开展详细地实验测量和数值分析。提出多频椭圆涡动阻尼密封非定常气流激振转子动力特性分析的数学模型和计算方法，建立阻尼密封动态压力、泄漏量和转子动力特性多物理参数实验测试系统，深入分析阻尼密封转子偏心涡动引起的密封间隙改变和腔室内动态压力时空演化和转子动力特性。系统研究几何结构参数密封腔室结构和间隙以及运行工况参数进口预旋、压比和转速对阻尼密封非定常泄漏流动和气流激振转子动力特性的影响规律。阐明非接触阻尼密封内动态压力时空演化和气流激振转子动力特性及作用机制。揭示阻尼密封内非定常泄漏流动和气流激振的流固耦合机理，理解和掌握非接触阻尼密封的封严和阻尼机理。为低泄漏和高阻尼性能的非接触阻尼密封设计提供理论基础和技术支撑。

先进的转子和静子间的密封技术可显著提高透平机械的能量转换效率和转子系统运行稳定性。高温度、高压力和高转速方向发展的透平机械要求密封具有优良的封严性能和可靠的转子动力特性。开展非接触阻尼密封内动态压力时空演化特性和气流激振流固耦合机理的理论模型和定量分析研究，为低泄漏和高阻尼的非接触阻尼密封研发提供理论基础。项目发展了非接触阻尼密封非定常气流激振力和转子动力特性的数值方法。提出了包括转子多频涡动位移的三种数学模型（直线涡动轨迹模型、圆涡动轨迹模型和椭圆涡动轨迹模型）、非定常流体激振力的CFD求解方法和转子动力特性系数的频域提取方法。研究了运行工况（压比、转速和进口预旋）和几何结构（轴向挡板数、腔室深度）参数对其非定常气流激振转子动力特性的影响机制。指出了进口预旋对转子系统的稳定性是十分不利的，在工程实际中，可通过在密封进口前安装防旋板的方法减小进口预旋速度，能够达到增大密封有效阻尼的目的。采用高精度具有温度压力补偿的涡街流量计测量密封泄漏的质量流量，采用精度等级为2.5的耐震压力表测量密封实验台气缸的轴向及周向的静压，采用阻抗函数测试方法实验测量不同压比和转速下的迷宫密封转子动力特性，实现了不同转速和压比下迷宫密封气流激振转子动力特性的实验测量。提出了一种新型的蜂窝面径向轮缘密封结构，在相同的冷气量下，蜂窝面径向轮缘密封的封严效率相比于光滑面结构要提高52%-67%。采用多频椭圆涡动模型以及动网格技术，数值研究了叶顶密封非定常泄漏流动和转子动力特性在不同运行工况下的变化规律。基于实验测量、数值模拟和理论分析结果，揭示了阻尼密封腔室动态压力时空演化特性和非定常气流激振流固耦合机理，为进一步提高透平机械通流效率和转子运行稳定性的高性能非接触阻尼密封设计提供理论基础和技术支撑。