密封结构对汽轮机转子动力特性的影响分析

李伟 张纬国

摘要：汽轮机组是较为大型的旋转机械设备，一旦发生了转子振动失去平衡的情况，那么，将会对设备的整体运行，安全性和平稳性造成十分严重的影响。近年来，汽轮机组朝着高参数以及大容量的趋势向前发展，而密封气流激振成为了转子失去平稳性的重要因素之一。在这当中，超超临界汽轮机组有着更为严重的密封汽流激振问题。文篇文章针对汽轮机转子的具体涡动状况，构建起了相关转子涡动模型，从而有效地研究了关于密封气流激振实际发生的原因，把数值模拟和理论算法进行了有效的结合，最终得出了密封结构，会对气流其转子动力特征产生的实际影响。

关键词：密封结构;汽轮机转子;动力特性;影响研究

前言

位于汽轮机当中的隔板汽封有着蒸汽泄漏降低以及机组效率提升的重要作用，但是由于其祖肉的结构十分复杂，所以，蒸汽在经过密封间隙过程当中会产生十分剧烈的湍流变化。如果转子发生了偏心的情况，那么，处于密封间隙之中的真气则会由于轴向间隙的不均匀而造成不平稳的流动状况[1]。此种十分剧烈的湍流振动变化情况，以及不平稳的流动情况，都会致使十分大的气流激振力出现，因为氣流激振所造成转子动力特征的变化，会对转子整体系统的平稳性产生十分大的影响，甚至将会直接导致转子失稳情况的出现。因此，必须要对处于密封结构之下的气流激振形成因素进行有效的研究分析，进一步调查得出，密封结构会对转子动力特征以及平稳性和安全性的具体影响，在最大程度上保障汽轮机组能够得到安全且平稳的运行，时期能够正常的进行运转。

一、关于密封结构会对汽轮机转子动力特性的具体影响分析

1.关于密封泄漏和压力脉动特性的分析

基于密封泄漏以及压力脉动特性的角度研究得出密封泄漏，蒸汽会造成叶栅气动性能的下降，蒸汽在流入叶栅通道的过程当中会遭受到通道喔的卷吸夹带作用，并在此影响之下，对一定范围之内的沿着径向朝着叶中进行迁移。在密封齿顶有着更多的间隙时，将会进一步造成动叶根部吸力面二次流出现范围扩大的现象，最终使得根部所产生的损失进一步加大。转子在沃顿过程当中所产生的压力波动幅度比净偏心的压力波动更高，整体平均压力波动幅度相差数值达到了1.5～2kPa，不仅如此，处于密封内部的压力波动基本上都处于低频的位置当中，在密封入口处，齿顶会出现更大的压力波动，而在此情况之下，处于密封高压区的低频压力波会有着更加明显的波动幅度，这也是致使气流激振现象进一步加强的重要因素之一。

2.关于转子多频涡动分析

基于转子多频涡动分析的视角来看，最终得出密封气流激振力，主要呈现的是一种非线性变化情况。出现的热载荷以及动载荷都会进一步致使迷宫密封的刚度发生降低的现象，不仅如此，其直接阻尼更是呈现出先提升后降低的情况。35～55Hz内密封的直接阻尼会出现明显的减少趋势，从而使得涡动能力的抑制功能进一步降低，而在此情况之下，转子对于密封气流激振现象会有着更加敏感的反应;当出现变工情况之后，密封的具体刚度以及具体阻尼都会产生十分大的变化幅度，在负荷不断提升的背景之下，刚度以及阻尼的绝对值将会出现明显递增的趋势，而此时，交叉刚度也会出现较大范围的波动幅度，因此，使得交叉阻尼在位于低频阶段中的变化十分显著[2]。在受到了轴向贯通作用不断降低的影响之下，有效阻尼也会在负荷进一步减少的情况下出现，降低的情况，而此时，密封动力的稳定性也呈现出垂直下降的现象;当发生转子锥形涡洞的情况时，会进一步导致密封动力系数的波动幅度较大，而在这当中，半锥形涡洞原本具有的对偶性也会消失。在切向作用不断加强的情况之下，密封激振也会不断增强，从而使得密封的有效阻尼出现降低的情况，造成密封动力稳定性受到影响，出现不平稳的现象。

3.关于CFD计算分析

通过CFD计算分析得出，非线性气流激振力方程有着十分显著的准确度。在一定情况之下，非线性气流震动力会致使转子涡动出现中心偏移的现象，从而使其由原本的周期运动转换成为混沌运动。在负荷不断增加的情况之下，转子运动所具备的混沌区域也会发生不断的变化，其变化的主要情况为，在增加之后不断降低，而在降低到一定幅度时，再呈现出增加的变化趋势[3]。振动频率发生了大约1/2的转速频率，并且一阶临界的转速频率和1/2，转速之下的低频现象发生。在机组负荷持续增加的情况之下，会致使转子运动的混沌区域进一步加宽;在负荷情况不断增加的情况之下，会导致最大Lyapunov指数比零更大，那么，此时就极有可能出现系统平稳性失衡的情况，导致系统不能够进行正常的运作。当齿数由原本的5齿变成了9齿，会进一步造成Lyapunov指数增加的现象出现，因此，当齿数进行适度的减少，会进一步提升转子的平稳性;当处于高负荷区域时，在凸台数不断增加的情况之下，原本的混沌现象会出现减弱的情况;转子所具备的实际平稳性范围会在齿长不断增加的背景之下出现后移，而此时，具体的齿长也会不断的增加，不仅如此，Lyapunov指数会呈现出不断下降的趋势。

4.关于阻尼模态分析

在充分考虑了轴承的交叉刚度以及实际阻尼之后，根据相关数据总结分析得出，转子一阶振型会朝向于竖直面的振动，另外，二阶振动会朝着竖直和水平交叉面进行不断的振动，在此情况之下，转子有着与椭圆接近的形状运动轨迹。密封气流激振情况出现之后，会进一步致使一阶振型出现一定程度的偏差情况，使得转向发生一定程度的变化，而这种变化会对转子一阶振型的具体幅度值以及平稳性有着较大的影响。当密封气流激振达到了耦合100%THA的情况下，会进一步致使一阶振型起始点的具体幅度值出现增加的状况，不仅如此，其初始的偏离角度也会随之发生一定的增加。当处于变负荷运行的区域之中时，出现的密封气流激振现象会进一步致使数减幅系数降低。

二、小结

综上所述，处于密封状态之下而出现的密封激振现象会对汽轮机动力转子的特性造成影响，使得汽轮机组的平稳性以及安全性能受到影响，本篇文章从密封泄漏和压力脉动特性、密封气流激振力的非线性变化特性、非线性气流激振力方程准确性以及阻尼模态分析进行了研究分析，最终得出了这些因素，都会对汽轮机动力转子特性造成安全性以及平稳性方面的影响。汽轮机组的平稳性对设备的整体运行有着十分大的影响作用，而在未来的发展过程当中，运用更加先进化的监测手段以及振动信号处理，就能够对密封气流激振现象进行有效的辨别，通过大数据以及数据驱动原理，在应用阻尼密封的情况之下，进一步降低密封气流激振现象的出现，能够有效的保障汽轮机组的平稳性。

参考文献：

[1]方志， 李志刚， 李军. 异形孔腔结构对液体孔型密封泄漏特性及转子耗功的影响[J]. 西安交通大学学报， 2020， v.54（01）：149-155.

[2]武慧鹏. 汽轮机转子的模态分析与动力特性分析[J]. 机械管理开发， 2019， 34（03）：59-60.

[3]潘健智， 魏大盛， 胡伟男. 热致混合式转子变结构与动力学特性[J]. 北京航空航天大学学报， 2020， v.46;No.323（01）：70-79.