汽轮机汽流激振CFD数值分析与转子动力稳定性研究

摘要

汽流激振导致的轴系失稳是现代汽轮发电机组的重要故障。对复杂轴系汽流激振的计算分析和主激振力部位认定是故障消除的关键，也是当今理论难题。 本文的研究目的是对迷宫密封和叶顶间隙激振力采用计算流体动力学(Computational FluidDynamics，CFD)计算方法，确定相关因素对求解精度的影响规律；研究能够精准确定汽流激振故障域的方法。 论文首先在旋转坐标系中，建立涡动转子一迷宫密封流体动力学模型，将非定常流动问题转化为定常问题，采用通用CFD软件FLUENT求解三维转子偏心状态的密封流场，计算结果与实验吻合较好；同时计算比较了壁面函数法和增强壁面函数法对于粘性为主的低雷诺数区(近壁面区)流动的处理效果。结果表明：增强壁面函数法能在计算网格增加较少的情况下，显著地提高流体切向速度的计算精度。 在转子小轨迹涡动条件下，根据激振力与转子轴心位移和速度的线性关系，建立涡动转子一迷宫密封转子动力学模型，确定迷宫密封动特性系数的计算公式；同时研究了迷宫密封入口上游区和出口下游区模化对动特性计算精度的影响，发现上游区的模化能正确模拟密封入口的压力损失提高计算精度，而下游区的模化尽管正确模拟了压力恢复效应，但对结果影响不明显，对迷宫密封模化时可适当减小下游区尺寸，缩短计算机时。本文还对迷宫密封动特性进行了参数影响研究，计算分析迷宫密封几何参数(间隙、齿数等)和运行参数(入口预旋速度、转速、压差等)变化对交叉刚度、直接阻尼的影响规律。 为了提高迷宫密封动特性系数计算精度，研究了利用CFD求解迷宫密封上游区入口截面流体参数摄动解的计算方法，并用摄动法推导流体参数沿密封圆周方向的变化规律函数。应用UDF编程将摄动解描述的流体参数沿圆周变化的公式集成到FLUENT中，设定迷宫密封上游区入口截面的边界条件，提高了对迷宫密封交叉刚度和直接阻尼的计算精度。 汽轮机转子涡动时，轴心偏离静子中心产生导致振动失稳的叶顶间隙激振力，传统的Thomas/Alford汽流激振力公式对此不能全面准确评估。本文在动叶通道，根据蒸汽做功原理分析转子涡动效应产生的叶顶激振力；在叶顶围带密封，用CFD数值模拟泄漏蒸汽三维粘性流场，确定蒸汽激振力。计算结果表明：小的静偏心和涡动半径条件下，在动叶通道，转子涡动效应能诱发与Thomas/Alford力相同数量级的激振力；围带密封的汽流预旋速度对间隙激振力有重要影响；调门不对称进汽也是蒸汽激振力的一个重要来源。 论文最后对一台发生了汽流激振典型故障的工业汽轮机进行了详细的转子动力特性计算分析，结合现场振动测试分析和故障诊断，应用CFD技术分析轴系中汽流激振力的量级和分布规律；将密封与油膜动特性系数一起作为边界条件进行多自由度转子-轴承-密封系统稳定性计算，确定了汽流激振故障源。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.2.1汽流激振概述

1.2.2叶顶间隙激振的理论研究概况

1.2.3密封汽流激振已有理论研究工作

1.2.4轴系稳定性数值计算的研究进展

1.3论文的研究内容及主要结果

第二章 涡动转子—迷宫密封流场CFD数值计算分析

2.1引言

2.2涡动转子—迷宫密封流体动力学控制方程

2.2.1座标系转换

2.2.2质量守恒方程

2.2.3动量守恒方程

2.2.4能量守恒方程

2.2.5三维湍流方程

2.3边界条件

2.4方程的离散和求解

2.4.1控制方程的离散

2.4.2离散方程的求解方法

2.5迷宫密封流场CFD数值计算精度验证

2.5.1计算模型

2.5.2计算模型网格划分

2.5.3漏气量计算

2.5.4密封速度场计算

2.5.5迷宫密封近壁面网格划分技术要点

2.6本章小结

第三章 涡动转子—迷宫密封动力特性计算方法与分析

3.1引言

3.2涡动转子—迷宫密封转子动力学模型

3.3迷宫密封转子动特性系数求解方法

3.3.1二维轴对称模型

3.3.2三维偏心转子模型

3.4迷宫密封动特性系数求解精度验证

3.4.1Pelletti迷宫密封几何尺寸和实验条件

3.4.2网格密度研究

3.4.3密封上游区、下游区模化对密封流场计算精度的影响

3.4.4迷宫密封动特性系数计算

3.5影响迷宫密封稳定性因素的计算分析

3.5.1迷宫密封压差的影响

3.5.2入口预旋速度的影响

3.5.3转子旋转速度的影响

3.5.4迷宫密封稳定性与径向间隙的关系

3.5.5轴向锥形间隙影响的计算

3.5.6转子齿和静子齿结构的影响

3.6本章小结

第四章 迷宫密封入口边界条件的摄动解设定方法

4.1引言

4.2密封内流动参数随圆周角度θ变化的函数

4.3摄动解CFD数值解法

4.3.1零阶解CFD数值解法

4.3.2密封上游区入口截面一阶解CFD数值解法

4.4应用流动参数摄动解设定密封边界条件

4.4.1摄动解设定密封边界条件

4.4.2摄动解边界条件应用

4.5本章小结

第五章 叶顶间隙激振力分析与CFD数值计算

5.1引言

5.2涡动叶轮叶顶间隙激振力的计算

5.3叶顶围带汽流激振力CFD分析

5.4计算实例

5.4.1调节级动叶蒸汽激振力计算

5.4.2叶顶围带激振力

5.5本章小结

第六章 一台工业汽轮机汽流激振的故障处理和前期轴系稳定性计算分析

6.1引言

6.2#2机组振动测试、故障诊断与现场处理

6.2.1前期制造厂的现场处理

6.2.2振动测试结果与振动原因的初步分析结论

6.3第一阶段处理的技术方案和轴承稳定性计算

6.3.1第一阶段处理方案的实施

6.3.2对该机组振动性质和原因的分析

6.4 T5530和T6530汽机转子/轴承系统动特性计算与分析

6.4.1 T5530和T6530机组主要技术参数

6.4.2计算内容及计算方法

6.5 T5530新转子启机振动测试分析

6.6本章小结

第七章 汽轮机T6530/T5530汽流激振的转子稳定性计算分析

7.1计算研究的背景

7.2 T6530/T5530密封动特性计算

7.2.1密封几何参数

7.2.2密封计算模型网格划分

7.2.3密封入口边界条件和处理方法

7.3密封动特性计算结果

7.4 T6530/T5530转子-轴承-密封系统稳定性分析

7.4.1 T6530转子计入汽流激振力稳定性计算

7.4.2 T5530转子计入汽流激振力稳定性计算

7.5本章小结

第八章 结论与展望

8.1全文总结

8.2创新之处

8.3展望

致谢

参考文献

在校期间发表论文及参加的科研工作