密封結構對汽輪機轉子動力特性的影響分析

李偉 張緯國

摘要：汽輪機組是較為大型的旋轉機械設備，一旦發生了轉子振動失去平衡的情況，那么，將會對設備的整體運行，安全性和平穩性造成十分嚴重的影響。近年來，汽輪機組朝著高參數以及大容量的趨勢向前發展，而密封氣流激振成為了轉子失去平穩性的重要因素之一。在這當中，超超臨界汽輪機組有著更為嚴重的密封汽流激振問題。文篇文章針對汽輪機轉子的具體渦動狀況，構建起了相關轉子渦動模型，從而有效地研究了關于密封氣流激振實際發生的原因，把數值模擬和理論算法進行了有效的結合，最終得出了密封結構，會對氣流其轉子動力特征產生的實際影響。

關鍵詞：密封結構;汽輪機轉子;動力特性;影響研究

前言

位于汽輪機當中的隔板汽封有著蒸汽泄漏降低以及機組效率提升的重要作用，但是由于其祖肉的結構十分復雜，所以，蒸汽在經過密封間隙過程當中會產生十分劇烈的湍流變化。如果轉子發生了偏心的情況，那么，處于密封間隙之中的真氣則會由于軸向間隙的不均勻而造成不平穩的流動狀況[1]。此種十分劇烈的湍流振動變化情況，以及不平穩的流動情況，都會致使十分大的氣流激振力出現，因為氣流激振所造成轉子動力特征的變化，會對轉子整體系統的平穩性產生十分大的影響，甚至將會直接導致轉子失穩情況的出現。因此，必須要對處于密封結構之下的氣流激振形成因素進行有效的研究分析，進一步調查得出，密封結構會對轉子動力特征以及平穩性和安全性的具體影響，在最大程度上保障汽輪機組能夠得到安全且平穩的運行，時期能夠正常的進行運轉。

一、關于密封結構會對汽輪機轉子動力特性的具體影響分析

1.關于密封泄漏和壓力脈動特性的分析

基于密封泄漏以及壓力脈動特性的角度研究得出密封泄漏，蒸汽會造成葉柵氣動性能的下降，蒸汽在流入葉柵通道的過程當中會遭受到通道喔的卷吸夾帶作用，并在此影響之下，對一定范圍之內的沿著徑向朝著葉中進行遷移。在密封齒頂有著更多的間隙時，將會進一步造成動葉根部吸力面二次流出現范圍擴大的現象，最終使得根部所產生的損失進一步加大。轉子在沃頓過程當中所產生的壓力波動幅度比凈偏心的壓力波動更高，整體平均壓力波動幅度相差數值達到了1.5～2kPa，不僅如此，處于密封內部的壓力波動基本上都處于低頻的位置當中，在密封入口處，齒頂會出現更大的壓力波動，而在此情況之下，處于密封高壓區的低頻壓力波會有著更加明顯的波動幅度，這也是致使氣流激振現象進一步加強的重要因素之一。

2.關于轉子多頻渦動分析

基于轉子多頻渦動分析的視角來看，最終得出密封氣流激振力，主要呈現的是一種非線性變化情況。出現的熱載荷以及動載荷都會進一步致使迷宮密封的剛度發生降低的現象，不僅如此，其直接阻尼更是呈現出先提升后降低的情況。35～55Hz內密封的直接阻尼會出現明顯的減少趨勢，從而使得渦動能力的抑制功能進一步降低，而在此情況之下，轉子對于密封氣流激振現象會有著更加敏感的反應;當出現變工情況之后，密封的具體剛度以及具體阻尼都會產生十分大的變化幅度，在負荷不斷提升的背景之下，剛度以及阻尼的絕對值將會出現明顯遞增的趨勢，而此時，交叉剛度也會出現較大范圍的波動幅度，因此，使得交叉阻尼在位于低頻階段中的變化十分顯著[2]。在受到了軸向貫通作用不斷降低的影響之下，有效阻尼也會在負荷進一步減少的情況下出現，降低的情況，而此時，密封動力的穩定性也呈現出垂直下降的現象;當發生轉子錐形渦洞的情況時，會進一步導致密封動力系數的波動幅度較大，而在這當中，半錐形渦洞原本具有的對偶性也會消失。在切向作用不斷加強的情況之下，密封激振也會不斷增強，從而使得密封的有效阻尼出現降低的情況，造成密封動力穩定性受到影響，出現不平穩的現象。

3.關于CFD計算分析

通過CFD計算分析得出，非線性氣流激振力方程有著十分顯著的準確度。在一定情況之下，非線性氣流震動力會致使轉子渦動出現中心偏移的現象，從而使其由原本的周期運動轉換成為混沌運動。在負荷不斷增加的情況之下，轉子運動所具備的混沌區域也會發生不斷的變化，其變化的主要情況為，在增加之后不斷降低，而在降低到一定幅度時，再呈現出增加的變化趨勢[3]。振動頻率發生了大約1/2的轉速頻率，并且一階臨界的轉速頻率和1/2，轉速之下的低頻現象發生。在機組負荷持續增加的情況之下，會致使轉子運動的混沌區域進一步加寬;在負荷情況不斷增加的情況之下，會導致最大Lyapunov指數比零更大，那么，此時就極有可能出現系統平穩性失衡的情況，導致系統不能夠進行正常的運作。當齒數由原本的5齒變成了9齒，會進一步造成Lyapunov指數增加的現象出現，因此，當齒數進行適度的減少，會進一步提升轉子的平穩性;當處于高負荷區域時，在凸臺數不斷增加的情況之下，原本的混沌現象會出現減弱的情況;轉子所具備的實際平穩性范圍會在齒長不斷增加的背景之下出現后移，而此時，具體的齒長也會不斷的增加，不僅如此，Lyapunov指數會呈現出不斷下降的趨勢。

4.關于阻尼模態分析

在充分考慮了軸承的交叉剛度以及實際阻尼之后，根據相關數據總結分析得出，轉子一階振型會朝向于豎直面的振動，另外，二階振動會朝著豎直和水平交叉面進行不斷的振動，在此情況之下，轉子有著與橢圓接近的形狀運動軌跡。密封氣流激振情況出現之后，會進一步致使一階振型出現一定程度的偏差情況，使得轉向發生一定程度的變化，而這種變化會對轉子一階振型的具體幅度值以及平穩性有著較大的影響。當密封氣流激振達到了耦合100%THA的情況下，會進一步致使一階振型起始點的具體幅度值出現增加的狀況，不僅如此，其初始的偏離角度也會隨之發生一定的增加。當處于變負荷運行的區域之中時，出現的密封氣流激振現象會進一步致使數減幅系數降低。

二、小結

綜上所述，處于密封狀態之下而出現的密封激振現象會對汽輪機動力轉子的特性造成影響，使得汽輪機組的平穩性以及安全性能受到影響，本篇文章從密封泄漏和壓力脈動特性、密封氣流激振力的非線性變化特性、非線性氣流激振力方程準確性以及阻尼模態分析進行了研究分析，最終得出了這些因素，都會對汽輪機動力轉子特性造成安全性以及平穩性方面的影響。汽輪機組的平穩性對設備的整體運行有著十分大的影響作用，而在未來的發展過程當中，運用更加先進化的監測手段以及振動信號處理，就能夠對密封氣流激振現象進行有效的辨別，通過大數據以及數據驅動原理，在應用阻尼密封的情況之下，進一步降低密封氣流激振現象的出現，能夠有效的保障汽輪機組的平穩性。

參考文獻：

[1]方志， 李志剛， 李軍. 異形孔腔結構對液體孔型密封泄漏特性及轉子耗功的影響[J]. 西安交通大學學報， 2020， v.54（01）：149-155.

[2]武慧鵬. 汽輪機轉子的模態分析與動力特性分析[J]. 機械管理開發， 2019， 34（03）：59-60.

[3]潘健智， 魏大盛， 胡偉男. 熱致混合式轉子變結構與動力學特性[J]. 北京航空航天大學學報， 2020， v.46;No.323（01）：70-79.