超超临界汽轮发电机组迷宫密封—转子系统动力特性数值与模拟实验研究

摘要

随着高性能大容量旋转机械在工业中的广泛应用，工质参数不断提高，密度增大、流速提高、流体对旋转转子的作用力增强，从而对旋转机械的动力特性和稳定性产生影响。本文以实验和数值模拟手段研究了高压流体流经迷宫密封-转子系统时对旋转转子运转的影响，通过计算数据与实验结果的对比分析深化了认识，完善了理论模型，编制成水蒸汽迷宫密封-转子系统等效动力特性系数计算软件，分析了国产1000MW超超临界机组高压缸平衡活塞密封气动力对转子动力特性的影响。 针对迷宫密封-转子系统动力特性的实验研究比较多，但多数文献研究的对象和实验工况与实际工程中的迷宫密封-转子系统的结构和工况相去甚远。因此，本文在上海交通大学建立了模拟首台国产1000MW超超临界机组高压平衡活塞处迷宫密封结构尺寸的转子实验台，实验用的密封件模型与实际超超临界汽轮机具有完全相同的形式，且单级密封的实验压比、转子支承形式、转子工作转速与临界转速的比值等重要参数也都接近于超超临界汽轮机的真实情况。此外，从迷宫密封-转子系统非定常特性出发建立了多通道数据实时测量系统，同步采集静压、动压、转速以及转子振动位移信号，为迷宫密封-转子系统动力特性的研究提供了实验基础。 实验中采用压缩空气作为工作介质，与实际超超临界机组工质物性有所偏差，而这种偏差造成的影响则由数值模拟来弥补。因此，本文采用数值模拟手段应用摄动法和单控制体模型，针对多种密封形式建立了迷宫密封-转子系统动力特性数学模型。文中先叙述了以空气为介质而建立的理想气体数学模型。此模型，以理想气体等温流动经过迷宫密封-转子系统为基础，预测了气动力等效动特性系数。并在此基础上，引入了水蒸汽热物性，以实际气体等焓流经迷宫密封-转子系统为前提，建立了严格意义上的真实水蒸汽密封流动数学模型，揭示超超临界机组密封流动过程中高压汽流对转子运转的影响。此外，迷宫密封-转子系统的流动是十分复杂的，为了简化分析，使用了控制体模型，模型中引入了流量系数、动能携带系数等经验常数来补充密封结构对密封流动影响的信息。因此，本文建立求解密封全流场数学模型，通过该模型的求解揭示密封流动细节，并给出由全流场模拟结构推算控制模型所用的流量系数和动能携带系数等经验常数的方法。 本文通过实验与计算结果的比较分析深化对密封流动物理过程的理解，从定性和定量上验证有关数学模型的可信性。经过实验和数值计算结果对比分析发现：沿轴向密封腔室内的静压分布呈逐腔下降分布，并且数值结果和实验结果相对误差小于5％。密封腔室周向压力脉动，其幅度与转子涡动相关。并且不同周向测点脉动压力相位也与转子涡动相关。脉动压力幅值和相位的数值计算结果与实验测量吻合良好。此外，当高压气流流经迷宫密封-转子系统时，作用在涡动转子的气流力对转子临界转速有影响。实验转子加气后一阶临界转速有所下降，随着压比增大，下降幅度进一步增加；数值计算与实验结果对加气后临界转速变化的描述完全吻合。而且，密封内高压气流的影响导致转子稳定性下降。随着压比增大，转子稳定性下降更为严重显著。有关实验和数值计算的结论也一致。因此，可以看出从实验和数值计算对比分析验证了空气流动数学模型计算方法的正确性进而，针对首台国产1000MW超超临界机组高压平衡活塞轴封，在设计工况下(进口和出口压力/温度分别为176bar/5300C和59.46bar/476.630C)，用本文编制的水蒸汽流动数学模型进行了盲算，并与外方提供验收判据进行对比分析，发现本文编制软件预测的汽动力等效动特性系数与判据接近，并且经转子动力学分析指出考虑密封汽动力后机组转子临界转速有所升高，稳定性裕度有所降低，但仍足以保证稳定工作。结果与外方判据相吻合。 此外，论文还对复杂齿型结构的迷宫密封-转子系统流固耦合动力特性非线性特征及非线性问题处理方法尝试提出一些求解的策略。分别针对密封齿腔和齿间隙流动，建立了非线性气动力模型，进而对Jeffcott单盘转子系统进行了系统的流固耦合非线性分析。其目的在于为研究复杂齿型结构密封非线性流固耦合提供可行性技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究工作与创新

第二章迷宫密封—转子系统动力学特性实验设计与测量系统

2.1实验目的

2.2实验台建设

2.3实验测量系统

2.4实验中压比和转速参数的选择

2.5本章小结

第三章迷宫密封—转子系统气动力特性数学模型

3.1建立数学模型的基本假设

3.2迷宫密封—转子系统的轴对称流动模型

3.3迷宫密封—转子系统内轴对称密封全流场数学模型及数值计算

3.4迷宫密封—转子系统的非轴对称非稳定流动模型

3.5本章小结

第四章迷宫密封—转子系统流固耦合非线性特征与求解策略

4.1迷宫密封—转子系统动力特性的非线性特征

4.2迷宫密封流动非线性模型

4.3迷宫密封—转子系统流固耦合非线性分析

4.4转子涡动轨迹计算及稳定性分析数值实验

4.5本章小结

第五章实验与计算结果分析

5.1引言

5.2实验方案

5.3迷宫密封中流动参数的变化规律

5.4迷宫密封等效动力特性系数的影响因素分析

5.5密封流体对转子临界转速的影响分析

5.6密封气流对转子稳定性的影响分析

5.7本章小结

第六章迷宫密封—转子系统动力特性系数计算软件集成及其在国产1000MW超超临界机组中的应用

6.1迷宫密封—转子系统等效动力特性系数计算软件

6.2国产1000MW超超临界机组高压缸密封等效动力特性系数计算

6.3本章小结

第七章结论和展望

7.1本文研究结论

7.2需要继续进行的研究工作

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文目录

致谢