透平机械自适应气膜密封增效减振性能的理论与试验研究

发布时间：2020-06-13 08:00

【摘要】：密封问题是影响现代透平机械向高功率与稳定性发展的主要影响因素之一。自适应气膜密封是具有发展潜力的低泄漏高性能密封,是促进透平机械向高性能发展的重要手段,对其开展相应的理论和试验研究,具有重要的理论意义和工程价值。本文首先进行了自适应气膜密封的基础研究,然后提出了基于自适应气膜密封的透平机械密封增效减振技术。首先从一维理论出发,研究了自适应气膜密封的流体机理和控制模型,分析了气膜密封的增效减振性能,比较了Whipple窄槽理论和Muijderman窄槽理论的精确性。研究表明,气膜密封间隙内流体的流动可以归为进出口压差使流体在半径方向上的泊肃叶流和动静环表面相对速度使流体在圆周方向上的库特流。气膜密封的流体泄漏抑制能力优于传统梳齿密封,流体力指向轴向,不存在密封激振问题。Whipple理论低估了气膜密封的承载力,泄漏量精度受气膜厚度影响较大。Muijderman理论考虑了介质可压缩的影响,具有更高精度。两者的气膜力和泄漏量分别相差约16%和14%。Muijderman方程的求解伴随着边界初值问题和打靶法问题,造成求解较为困难。采用Adomian分解方法,提出了Muijderman方程的近似解。近似解形式简单、计算量小,误差控制在5%范围内。在此基础上,利用柯西积分定理求解法,提出了Muijderman方程的显式解。显式解没有牺牲解的精度,能够准确得到气膜密封的性能。与传统解法相比,新解法更加简单和方便,可以指导气膜密封设计,便于工程问题得到快速解决。在一维理论的基础上,提出了一种气膜密封的二维数值模型,能够考虑更复杂因素对气膜密封性能的影响。通过与三维CFD的比较,发现模型与CFD的误差不超过4%,但计算量较小。以此模型为方法,研究了Muijderman窄槽理论的精确性及槽型对气膜密封性能的影响。结果表明,窄槽理论高估了气膜力、泄漏量和气膜刚度,尤其对气膜刚度的预测准确性较差,某些情况下误差达到52%。梯型槽密封的承载能力、稳定性和功耗都比螺旋槽密封差,但泄漏抑制能力更好,主要差异体现在梯型槽密封稳定性的降低。为了研究气膜的形成机理及影响因素,搭建了一种动压气膜试验台,实现了气膜厚度、气膜电阻、推力盘转速等数据的测量。发光二极管熄灭试验说明了在推力盘和瓦块之间产生了一层完整的气膜使动静端面完全脱开。气膜产生的承载力等于推力盘的重力为1.47 N。推力盘能够持续旋转约15 s,最高转速为350 r/min,最厚气膜约为5μm。推力盘底面中心区域高于边缘区域,使气膜的有效面积减少,导致了测量的气膜间隙小于理论计算值。推力盘底面的三个凸起较为影响气膜的稳定性,增加了表面接触机会,引起了可倾瓦块的摆动。提高动环的表面质量(如减少动环表面的不平整度)有利于气膜的形成,增加气膜的稳定性。针对汽轮机工作环境,研究了介质参数对气膜密封性能的影响,比较了理想气体法、对比态定律压缩因子法和IAPWS-IF97法三种过热蒸汽理论模型。结果表明,理想气体法较为简单,适用于压缩因子接近于1的过热蒸汽;IAPWS-IF97法最为精确,但计算量较大;对比态定律压缩因子法介于两者之间。介质对气膜密封性能的影响主要体现在粘度的不同,过热蒸汽粘度介于空气和甲烷之间,因此过热蒸汽相比空气略微降低了气膜密封性能,相比甲烷略微提高了气膜密封性能,它们之间的相对差异不超过8%,介质对气膜密封的性能影响较小。最后,提出了一种基于自适应气膜密封的新型汽轮机叶顶复合密封,用以降低汽轮机叶顶泄漏损失和流体激振问题。建立了基于自适应气膜密封的汽轮机叶顶泄漏三维CFD模型,分析了复合密封的泄漏损失及其对缸内流体的气动损失影响,研究了复合密封的动力学特性和动环变形对气膜间隙的影响。结果表明,复合密封具有较高的流动阻力,降低了叶顶泄漏及由泄漏引起的效率损失。相比传统两齿叶顶迷宫密封,复合密封使泄漏量降低了99.3%,汽轮机动叶级效率提升了1.9%。增加密封环面积和弹簧刚度,能够提高静环的跟随能力,增强气膜的稳定性。增加动环厚度能够提高动环强度,减少结构变形对气膜间隙的影响。叶顶气膜密封的引入为解决密封的增效减振问题提供了新思路,是提高透平机械效率的一种潜在途径。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH136

【参考文献】