透平機(jī)械中密封氣流激振及泄漏的故障自愈調(diào)控方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，透平機(jī)械的節(jié)能與安全問題越來越受到人們的重視。設(shè)備振動(dòng)超標(biāo)、葉片斷裂、密封泄漏等故障是影響機(jī)組安全、長周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。密封氣流激振是造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)大和葉片斷裂的重要原因之一，密封失效則通常導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生。研究透平機(jī)械中密封氣流激振及泄漏的故障自愈調(diào)控方法具有理論和工程應(yīng)用價(jià)值。本論文的主要工作如下： 1、提出了一種計(jì)算直通型蜂窩密封動(dòng)力特性系數(shù)的方法。該方法借助單控制體模型得到控制方程，將擾動(dòng)變量引入

2、控制方程得到零階和一階方程，最終由壓力分布表達(dá)式推導(dǎo)出動(dòng)力特性系數(shù)。通過簡化一階方程解的表達(dá)式、引入拉式變換和泰勒展開等數(shù)學(xué)手段極大地簡化了計(jì)算，提高了計(jì)算速度。使用本方法計(jì)算的動(dòng)力特性系數(shù)結(jié)果與測量值量級(jí)相同。在分析體現(xiàn)蜂窩密封對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性總體影響的有效阻尼時(shí)，采用本方法得到的計(jì)算結(jié)果與測量值非常接近。計(jì)算實(shí)例表明，應(yīng)用本文所述方法所得計(jì)算結(jié)果可以用于定量地說明蜂窩密封的減振效果。采用本方法計(jì)算的蜂窩密封動(dòng)力特性參數(shù)，可以用于分析蜂窩

3、密封的剛度、阻尼系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響，對(duì)調(diào)控密封氣流激振和泄漏具有重要意義。 2、針對(duì)葉片疲勞斷裂問題，實(shí)驗(yàn)研究了蜂窩密封調(diào)控葉片密封氣流激振的特性。將葉頂密封分別采用光滑密封和蜂窩密封，測量不同密封間隙下的葉片振幅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用蜂窩密封能夠明顯抑制葉片密封氣流激振，葉片振幅隨密封間隙的增大而減小。與光滑密封相比，蜂窩密封最佳可減小實(shí)驗(yàn)中無冠葉片測量點(diǎn)振幅的25%。采用煙線法顯示了葉尖密封尾流場，同時(shí)繪制了流場的速度分布圖

4、。對(duì)蜂窩密封調(diào)控密封氣流激振的機(jī)理進(jìn)行了分析，蜂窩密封能夠降低密封腔內(nèi)流體速度、耗散流體能量，從而流體對(duì)葉片的密封氣流激振力減弱、葉片振動(dòng)得到有效的調(diào)控。蜂窩密封是一種調(diào)控密封氣流激振的有效方法，可以從葉片振動(dòng)產(chǎn)生的根源上實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障自愈調(diào)控。 3、提出采用蜂窩密封和反旋流組合調(diào)控葉片密封氣流激振，并實(shí)驗(yàn)研究了其特性。在不同密封間隙、不同帶冠葉片條件下，分別采用蜂窩密封和光滑密封，沿與主氣流相反的方向向葉片頂部密封間隙內(nèi)噴射

5、氣流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示采用光滑密封時(shí)施加反旋流最佳能夠使實(shí)驗(yàn)中葉片測量點(diǎn)的振動(dòng)減小17%，而采用蜂窩密封時(shí)施加反旋流最佳能夠使實(shí)驗(yàn)中葉片測量點(diǎn)的振動(dòng)減小14%。與光滑密封相比，采用蜂窩密封和反旋流組合最佳能夠使實(shí)驗(yàn)中葉片測量點(diǎn)的振動(dòng)減小37%。因此采用結(jié)構(gòu)合理的蜂窩密封和增加適量的反旋流是調(diào)控密封氣流激振的有效方法，對(duì)預(yù)防和消除葉片斷裂、實(shí)現(xiàn)葉片斷裂故障的自愈調(diào)控具有重要意義。 4、提出用抽取氣流的方法來調(diào)控葉片密封氣流激振并進(jìn)行了

6、實(shí)驗(yàn)研究。從葉片頂部抽取適量氣流能減小實(shí)驗(yàn)中葉片測量點(diǎn)的振幅10%以上；對(duì)于無冠葉片，當(dāng)抽氣口采用正傾角時(shí)抽取氣流抑制葉片振動(dòng)的能力比采用負(fù)傾角時(shí)大；對(duì)于帶冠葉片，抽取氣流抑制葉片振動(dòng)效果更好，最佳減振能力可達(dá)23%，且葉冠寬度較大時(shí)減振效果更穩(wěn)定。本文還系統(tǒng)地研究了不同噴射角度的射流調(diào)控葉片密封氣流激振的特性，分析了利用噴射氣流方法調(diào)控葉片密封氣流激振的規(guī)律。當(dāng)傾角小于30°時(shí)，在葉片頂部噴射氣流加劇葉片振動(dòng)；當(dāng)傾角大于40°時(shí)，葉片

7、振動(dòng)隨噴氣壓力的增大而減小，實(shí)驗(yàn)中葉片測量點(diǎn)的最小振幅僅為初始振幅的81%。 5、研究了汽輪機(jī)密封泄漏及水蝕故障的自愈調(diào)控方法，設(shè)計(jì)了適用于汽輪機(jī)的新型蜂窩密封結(jié)構(gòu)。通過在葉頂蜂窩密封底板上增設(shè)環(huán)形去濕輸水槽，排出了汽輪機(jī)低壓缸中的小水滴，實(shí)現(xiàn)了葉片水蝕故障的自愈。設(shè)計(jì)了新型蜂窩密封結(jié)構(gòu)，結(jié)合了蜂窩密封和梳齒密封的特點(diǎn)，消除了軸端密封泄漏故障產(chǎn)生的原因，成功地解決了小型汽輪機(jī)軸端密封泄漏問題。同時(shí)，新型軸端蜂窩密封結(jié)構(gòu)還可以推廣

8、應(yīng)用到煙機(jī)的煙氣密封、蒸汽密封和軸承箱密封。 6、研究了大型電機(jī)油封泄漏故障的自愈調(diào)控方法，設(shè)計(jì)了可調(diào)式自動(dòng)跟蹤和蜂窩復(fù)合油封。電機(jī)潤滑油向內(nèi)部泄漏的主要原因是風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)引起電機(jī)內(nèi)部形成的負(fù)壓和密封失效。為了隔離負(fù)壓，采用了蜂窩密封和接觸式密封的組合形式，并且在兩者之間通入一定的氮?dú)?。采用壓力平衡方法和蜂窩密封消除了導(dǎo)致油封泄漏的根本原因。用可調(diào)式自動(dòng)跟蹤密封替代傳統(tǒng)的毛氈密封，更耐磨損、更耐老化。在設(shè)計(jì)階段就消除了密封泄漏故障產(chǎn)