燃气轮机转子-刷式密封系统非线性动力学特性及设计准则

The rotor-brush seal system of gas turbine is the main research object. The nonlinear dynamics, rotordynamics, applied mechanics, fluid mechanics, thermodynamics and other multi-disciplinary theories and methods are adopted to establish the seal force model of brush seal and the nonlinear dynamic model of rotor-brush seal system considering the effects of gas flow force, interaction force between the bristles, hysteresis effect and rubbing fault. The dynamic model is simplified by the engineering equivalent. And the nonlinear stability, instability mode, bifurcation and dynamic response of the rotor seal system of gas turbine are solved to analyze the effects of geometry design and operation parameters of brush seal on the flow characteristics, seal force, nonlinear dynamic characteristics, stable margin and instability mode of the system. A rotor-brush seal test rig is built to verify the influence of different parameters on the critical speed and vibration characteristics of the system. The stable margin of shaft is taken as an objective function for optimize design and analysis, and the selection scope of key geometry and operation parameters are proposed, which provide theoretical support for the dynamic design of gas turbine.

以燃气轮机组轴系转子-刷式密封系统为主要研究对象，立足于非线性动力学、转子动力学、应用力学、流体力学、热力学等多学科理论与方法，综合考虑刷式密封的气流力、刷丝束内部刷丝之间的作用力、刷丝迟滞效应、碰摩故障等非线性和耦合因素，建立刷式密封非线性密封力模型，以及燃气轮机转子-刷式密封系统非线性动力学模型，对其动力学模型进行工程等效简化处理，求解燃气轮机转子-密封系统非线性稳定性、失稳特征和模式、分岔规律和动力学响应等动态特性；以分析刷式密封的结构设计和运行参数对刷式密封流动特性、密封力以及轴系非线性动力学特性、稳定裕度及失稳模式的影响；搭建转子-刷式密封模拟实验台，通过实验验证不同参数对系统的临界转速和振动特性的影响；将轴系稳定裕度作为目标函数来进行优化设计和分析，提出关键结构与运行参数的选取范围，为燃气轮机的动力学设计提供理论支持。

当高温、高压及高速燃气轮机发生故障时，转子-轴承-密封系统将产生复杂的动力学行为，严重影响系统的安全性和可靠性。轴系失稳是一种典型的故障，而密封力与油膜力等非线性因素是引起轴系失稳的主要来源。本项目以燃气轮机转子-轴承-密封系统为研究对象，综合考虑了刷式密封的气流力、刷丝束内部刷丝之间的作用力、刷丝迟滞效应、轴承油膜力及转子不平衡振动等非线性耦合因素。建立了刷丝在不同转子偏心状态下的刷式密封受力模型，并进一步研究转子-刷式密封系统参数对刷丝弯曲受力的动态影响规律。提出用迟滞角来表征刷丝束的迟滞效应程度，建立了燃气轮机转子-轴承-刷式密封系统非线性动力学模型，以研究迟滞效应对动力学模型参数变化影响规律为切入点，分析了燃气轮机转子系统非线性稳定性、失稳特征、分岔规律和动力学响应等动态行为。通过研究刷式密封结构参数与运行条件变化特征，分析其对刷式密封密封力以及系统非线性动力学特性的影响，提出了燃气轮机关键结构与运行参数以及转子系统的非线性动力学设计关键参数的选取范围。改造了转子-刷式密封模拟实验台，验证了理论计算结果的正确性。本项目研究成果可为我国燃气轮机的动力学设计和自主研发提供必要的理论基础。