進(jìn)口防旋板對孔型密封非定常氣流激振特性的影響

李志剛,李軍,2,豐鎮(zhèn)平

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心,100191,北京)

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進(jìn)口防旋板對孔型密封非定常氣流激振特性的影響

李志剛1,李軍1,2,豐鎮(zhèn)平1

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安;2.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心,100191,北京)

為了展示透平機(jī)械密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)口防旋板在改善密封轉(zhuǎn)子動力特性和增強(qiáng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的止旋方面的性能,采用基于轉(zhuǎn)子多頻橢圓軌跡渦動模型和動網(wǎng)格技術(shù)的非定常數(shù)值方法,研究了進(jìn)口防旋板對孔型密封非定常氣流激振力和轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)的影響,計(jì)算分析了進(jìn)口預(yù)旋比分別為0和0.6時(shí)2種進(jìn)口防旋板結(jié)構(gòu)的孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)、非定常氣流激振力和流場特性,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。研究表明:非定常數(shù)值方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測與頻率相關(guān)的孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù);進(jìn)口預(yù)旋可顯著減小孔型密封的有效阻尼、增大有效阻尼項(xiàng)的穿越頻率,易誘發(fā)轉(zhuǎn)子渦動失穩(wěn);進(jìn)口防旋板能夠有效減小孔型密封的進(jìn)口旋流速度、孔型密封的交叉剛度和有效阻尼穿越頻率,增大孔型密封的有效剛度和有效阻尼,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

孔型密封;進(jìn)口預(yù)旋;防旋板;氣流激振;轉(zhuǎn)子動力特性

透平機(jī)械旋轉(zhuǎn)動密封在控制泄漏流動的同時(shí),還會產(chǎn)生流體激振力,影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性[1]。目前透平機(jī)械主要通過采用先進(jìn)阻尼密封結(jié)構(gòu)(蜂窩密封、孔型密封和袋型密封)、調(diào)整動靜間隙、安裝止旋裝置(分流注射器和防旋板)等,來抑制和解決密封氣流激振力引起的轉(zhuǎn)子失穩(wěn)問題[2-3]。安裝在密封進(jìn)口的一系列與密封面成一定角度的導(dǎo)流板,能夠阻滯和引導(dǎo)密封進(jìn)口的周向旋流。

迷宮密封進(jìn)口周向旋流速度對密封交叉剛度具有決定性的作用,而氣流激振力是誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的主要因素。Benckert等通過實(shí)驗(yàn)證明了在迷宮密封進(jìn)口安裝防旋板結(jié)構(gòu)能夠減小密封交叉剛度[4-5],而Childs等研究表明防旋板對直接剛度和直接阻尼影響很小且實(shí)驗(yàn)測量了迷宮密封在無防旋板、直角防旋板和反旋流角防旋板3種情況下的轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)[5-6]。Nielson等發(fā)現(xiàn)反旋流角防旋板結(jié)構(gòu)并沒有比直角結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更優(yōu)的性能[7]。圖1給出了迷宮密封進(jìn)口直角防旋板和反旋流角防旋板結(jié)構(gòu)[7]。

工程應(yīng)用中單獨(dú)采用防旋板結(jié)構(gòu)改善來流條件或采用阻尼密封代替迷宮密封的方法往往達(dá)不到完全消除轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的目的。Scharrer報(bào)道了采用蜂窩密封代替迷宮密封無法完全消除航天飛機(jī)高壓氧渦輪泵轉(zhuǎn)子的亞同步渦動,但通過在蜂窩密封上游安裝防旋板達(dá)到了此目的[8],Zeidan等也是通過采用帶進(jìn)口防旋板的蜂窩密封使多級離心壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子非同步渦動降低到了安全水平[9]。Childs等研究表明,減小密封進(jìn)口正預(yù)旋或增大負(fù)預(yù)旋能夠顯著提高孔型密封的有效阻尼,增強(qiáng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10-11]。

(a)直角防旋板 (b)反旋流角防旋板圖1 迷宮密封進(jìn)口防旋板結(jié)構(gòu)

針對旋轉(zhuǎn)阻尼密封轉(zhuǎn)子動力特性計(jì)算,晏鑫等提出了雙控制體Bulk Flow模型的方法和基于單頻渦動模型的非定常計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法[12-13],李志剛等提出了基于多頻單向和橢圓渦動模型的非定常CFD方法[14-15]。

本文采用基于多頻橢圓軌跡渦動模型和動網(wǎng)格技術(shù)的非定常CFD方法,計(jì)算了2種進(jìn)口預(yù)旋和防旋板結(jié)構(gòu)下的孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)、非定常氣流激振力和流場,分析了進(jìn)口預(yù)旋和防旋板對孔型密封非定常氣流激振特性的影響,以期為阻尼密封防旋板的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)數(shù)據(jù)。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型

圖2給出了孔型密封的幾何結(jié)構(gòu)[10]。表1給出了孔型密封的幾何參數(shù)和實(shí)驗(yàn)工況[10]。本文選取了2種進(jìn)口預(yù)旋比u0(u0=0,0.6)并定義了密封進(jìn)口的流動方向。u0為密封進(jìn)口氣體周向旋流速度與轉(zhuǎn)子面線速度的比值,即

(1)

式中:Uθ為密封進(jìn)口周向旋流速度;n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。式(1)可表征密封進(jìn)口旋流速度的大小。根據(jù)圖1所示的2種迷宮密封進(jìn)口防旋板結(jié)構(gòu),本文設(shè)計(jì)了2種孔型密封進(jìn)口防旋板結(jié)構(gòu),如圖3所示,其由周向等弧度排列的36個(gè)導(dǎo)流片組成,且具有與密封相同的徑向間隙。

圖2 孔型密封實(shí)驗(yàn)件幾何結(jié)構(gòu)

圖4給出了孔型密封和防旋板的三維計(jì)算模型和網(wǎng)格。孔型密封、進(jìn)口防旋板的計(jì)算模型和網(wǎng)格均為360°整周全三維結(jié)構(gòu)。采用ANSYS ICEM CFD軟件生成多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,每個(gè)密封孔和防旋板導(dǎo)流片為O型網(wǎng)格,壁面區(qū)域采用加密網(wǎng)格,在密封間隙處沿徑向布置了20個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[15]網(wǎng)格無關(guān)性分析,當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到519萬時(shí),本文計(jì)算可獲得網(wǎng)格無關(guān)解。因此,計(jì)算孔型密封的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為592萬,直角防旋板和反旋流角防旋板結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為248萬和297萬。

表1 孔型密封實(shí)驗(yàn)件幾何參數(shù)和實(shí)驗(yàn)工況[10]

(a)直角防旋板

(b)反旋流角防旋板圖3 2種進(jìn)口防旋板幾何結(jié)構(gòu)

圖4 孔型密封、進(jìn)口防旋板計(jì)算模型和網(wǎng)格

1.2 數(shù)值方法

本文采用基于多頻橢圓軌跡渦動模型和動網(wǎng)格技術(shù)的非定常數(shù)值方法、采用ANSYS-CFX數(shù)值求解的Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes(URANS)方程,計(jì)算了孔型密封的非定常流場和流體激振力。圖5給出了轉(zhuǎn)子橢圓軌跡渦動模型。表2給出了具體的數(shù)值方法和渦動模型參數(shù)。多頻橢圓軌跡渦動模型中的轉(zhuǎn)子渦動位移的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

x方向激勵

(2)

y方向激勵

(3)

式中:a和b分別為橢圓軌跡的長軸和短軸;N為渦動頻率數(shù);Ω0=2πf0為渦動基準(zhǔn)頻率,f0為渦動頻率。

(a)x方向激勵 (b)y方向激勵圖5 轉(zhuǎn)子橢圓軌跡渦動模型示意圖

表2 數(shù)值方法和渦動模型參數(shù)

(4)

對于x方向激勵和y方向激勵,在對2種轉(zhuǎn)子渦動位移下的密封流場進(jìn)行獨(dú)立的非定常求解后,通過快速傅里葉變換(FFT)可獲得式(4)在頻率內(nèi)的表達(dá)式,即

(5)

式中:Hij=Kij+iωCij為密封阻抗系數(shù)。通過非定常CFD數(shù)值求解和FFT變換可獲得頻率內(nèi)的密封流體激振力Fij和轉(zhuǎn)子渦動位移Dij,進(jìn)而通過式(5)獲得密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)。本文非定常數(shù)值方法、多頻轉(zhuǎn)子橢圓軌跡渦動模型和轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)提取方法的詳細(xì)介紹和驗(yàn)證可參考文獻(xiàn)[14-15]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)

圖6給出了在2種進(jìn)口預(yù)旋和防旋板結(jié)構(gòu)下,孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)隨渦動頻率的變化。本文引入有效剛度系數(shù)Keff和有效阻尼系數(shù)Ceff來評價(jià)孔型密封的轉(zhuǎn)子動力特性,即

Keff=Kxx+CxyΩ

(6)

Ceff=Cxx+Kxy/Ω

(7)

為驗(yàn)證數(shù)值方法的準(zhǔn)確性,對進(jìn)口無預(yù)旋(u0=0)、無進(jìn)口防旋板時(shí)孔型密封的轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。如圖6所示,除直接阻尼和有效阻尼在80～280Hz范圍內(nèi)略微偏小外(偏差小于20%),其余數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,表明本文的非定常數(shù)值方法能夠準(zhǔn)確分析孔型密封的轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)。

(a)直接剛度

(b)直接阻尼

(c)交叉剛度

(d)交叉阻尼

(e)有效剛度

(f)有效阻尼圖6 孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)隨渦動頻率的變化

如圖6所示:進(jìn)口預(yù)旋會使孔型密封的直接剛度和交叉剛度增大,但使直接阻尼和交叉阻尼減小;相比于直接動力系數(shù),進(jìn)口預(yù)旋會顯著影響交叉動力系數(shù);在80～280 Hz范圍內(nèi),進(jìn)口預(yù)旋會使有效剛度減小、有效阻尼顯著減小、穿越頻率顯著增大。可見,進(jìn)口預(yù)旋不但會減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的頻率范圍(密封有效阻尼為正的頻率范圍)、引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn),還會降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速。因此,工程中應(yīng)采取措施來減小密封進(jìn)口預(yù)旋。

圖6還顯示:進(jìn)口防旋板對孔型密封的直接剛度和直接阻尼影響較小,但使交叉剛度顯著減小、交叉阻尼顯著增大;進(jìn)口防旋板使孔型密封的有效剛度和有效阻尼均顯著增大,有效阻尼項(xiàng)的穿越頻率顯著減小;2種進(jìn)口防旋板結(jié)構(gòu)下的孔型密封具有幾乎相同的轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)。因此,采用進(jìn)口防旋板能夠有效抑制轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動,消除密封進(jìn)口預(yù)旋引起的轉(zhuǎn)子失穩(wěn)問題,其中直角防旋板和反旋流角防旋板對孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性具有同等的改善效果。

2.2 非定常氣流激振力和流場

圖7給出了進(jìn)口預(yù)旋比u0=0.6時(shí)不同進(jìn)口防旋板下孔型密封作用于轉(zhuǎn)子面上的非定常氣流激振力的變化。如圖7所示,進(jìn)口防旋板能有效減小孔型密封的非定常氣流激振力。

(a)x方向氣流激振力

(b)y方向氣流激振力圖7 孔型密封內(nèi)非定常氣流激振力(u0=0.6,x方向激勵)

進(jìn)口防旋板之所以能夠改變密封的非定常氣流激振特性,是因?yàn)槠涓淖兞嗣芊膺M(jìn)口流體的流動參數(shù),特別是進(jìn)口旋流速度。表3給出了不同進(jìn)口防旋板下密封處的流動參數(shù)。進(jìn)口防旋板使密封處的旋流速度顯著減小,使泄漏量略微增大(小于4.5%),對靜壓和軸向速度影響很小。

表3 密封處的流動參數(shù)(u0=0.6)

圖8給出了密封通道內(nèi)平均旋流速度沿軸向的分布。圖9給出了3種防旋板下防旋板通道內(nèi)的三維流場。相比于無進(jìn)口防旋板情況,2種防旋板結(jié)構(gòu)均能有效阻斷流體的周向流動,減小流體的周向速度。受轉(zhuǎn)子面的黏性剪切作用和孔型靜子面的阻滯耗散作用,防旋板的止旋效果僅在密封上游區(qū)域有效。2種防旋板結(jié)構(gòu)止旋效果相近,反旋流角防旋板結(jié)構(gòu)并未達(dá)到有效控制流體的流動方向、使流動反向旋轉(zhuǎn)的目的。這主要是相鄰導(dǎo)流片間的弧度間隔太大、流體未發(fā)生有效偏轉(zhuǎn)的緣故。因此,工程中需要對導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)參數(shù)(導(dǎo)流片數(shù)目、安裝角度、軸向長度等)進(jìn)行優(yōu)化,使其能夠有效控制流體的流動方向。

圖8 密封通道內(nèi)平均旋流速度沿軸向的分布(u0=0.6)

(a)無防旋板 (b)直角防旋板

(c)反旋流角防旋板圖9 防旋板通道內(nèi)的三維流場(u0=0.6)

3 結(jié) 論

本文采用基于多頻橢圓軌跡渦動模型的非定常CFD方法,研究了進(jìn)口預(yù)旋、進(jìn)口導(dǎo)流板對孔型密封非定常氣流激振特性的影響。

進(jìn)口預(yù)旋會使孔型密封交叉動力系數(shù)的絕對值顯著增大、密封有效剛度和有效阻尼顯著減小、有效阻尼項(xiàng)的穿越頻率明顯增大;進(jìn)口預(yù)旋不但會減小轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的頻率范圍、引起轉(zhuǎn)子失穩(wěn),同時(shí)還會降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階臨界轉(zhuǎn)速。

進(jìn)口防旋板能夠有效阻斷密封進(jìn)口流體的周向流動、減小密封進(jìn)口旋流速度,進(jìn)而減小密封交叉剛度、增大有效剛度和有效阻尼、減小有效阻尼項(xiàng)的穿越頻率。直角防旋板和反旋流角防旋板對孔型密封轉(zhuǎn)子動力特性具有同等的改善效果,因此在密封進(jìn)口處安裝防旋板是一種提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼、消除轉(zhuǎn)子渦動失穩(wěn)的有效措施。

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(編輯 苗凌)

Effect of Swirl Brakes on Unsteady Flow Excitation Characteristics of Hole-Pattern Seal

LI Zhigang1,LI Jun1,2,FENG Zhenping1

(1. School of Energy & Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beijing 100191, China)

To reveal the anti-swirl performance of the swirl brake on improving the seal rotordynamic performance and enhancing rotor stability in turbomachinery, the effects of swirl brakes on the transient flow excitation characteristics and rotordynamic coefficients of a hole-pattern seal are numerically investigated. With computational fluid dynamics (CFD) method based on the multi-frequency elliptical orbit rotor whirling model and mesh deformation technique, the rotordynamic coefficients, transient fluid response forces and flow pattern of the hole-pattern seal are solved and analyzed for two types of swirl brakes at inlet preswirl ratios of 0 and 0.6. The predicted rotordynamic coefficients are compared with the experiment data. The numerical results show that the present transient numerical method enables to accurately predict the frequency-dependent rotordynamic coefficients of hole-pattern seal. Inlet preswirl significantly decreases effective damping in the hole-pattern seal and increases in the crossover frequency of the effective damping term, which usually induces rotor instability vibration. The swirl brake is very useful to eliminate rotor instability vibration because it can obviously reduce the cross-coupling stiffness and the crossover frequency, and increase the hole-pattern seal effective stiffness and effective damping by reducing the inlet preswirl velocity.

hole-pattern seal; inlet preswirl; swirl brake; flow excitation; rotor dynamic

2015-03-30。 作者簡介:李志剛(1986—),男,講師。 基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51406144);博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M550490)。

時(shí)間:2015-10-23

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151023.1106.012.html

10.7652/xjtuxb201601003

TK474

A

0253-987X(2016)01-0016-06