超超臨界汽輪發(fā)電機組迷宮密封—轉子系統(tǒng)動力特性數(shù)值與模擬實驗研究.pdf

1、隨著高性能大容量旋轉機械在工業(yè)中的廣泛應用，工質參數(shù)不斷提高，密度增大、流速提高、流體對旋轉轉子的作用力增強，從而對旋轉機械的動力特性和穩(wěn)定性產生影響。本文以實驗和數(shù)值模擬手段研究了高壓流體流經迷宮密封-轉子系統(tǒng)時對旋轉轉子運轉的影響，通過計算數(shù)據(jù)與實驗結果的對比分析深化了認識，完善了理論模型，編制成水蒸汽迷宮密封-轉子系統(tǒng)等效動力特性系數(shù)計算軟件，分析了國產1000MW超超臨界機組高壓缸平衡活塞密封氣動力對轉子動力特性的影響。

2、 針對迷宮密封-轉子系統(tǒng)動力特性的實驗研究比較多，但多數(shù)文獻研究的對象和實驗工況與實際工程中的迷宮密封-轉子系統(tǒng)的結構和工況相去甚遠。因此，本文在上海交通大學建立了模擬首臺國產1000MW超超臨界機組高壓平衡活塞處迷宮密封結構尺寸的轉子實驗臺，實驗用的密封件模型與實際超超臨界汽輪機具有完全相同的形式，且單級密封的實驗壓比、轉子支承形式、轉子工作轉速與臨界轉速的比值等重要參數(shù)也都接近于超超臨界汽輪機的真實情況。此外，從迷宮密封-轉子系統(tǒng)非

3、定常特性出發(fā)建立了多通道數(shù)據(jù)實時測量系統(tǒng)，同步采集靜壓、動壓、轉速以及轉子振動位移信號，為迷宮密封-轉子系統(tǒng)動力特性的研究提供了實驗基礎。 實驗中采用壓縮空氣作為工作介質，與實際超超臨界機組工質物性有所偏差，而這種偏差造成的影響則由數(shù)值模擬來彌補。因此，本文采用數(shù)值模擬手段應用攝動法和單控制體模型，針對多種密封形式建立了迷宮密封-轉子系統(tǒng)動力特性數(shù)學模型。文中先敘述了以空氣為介質而建立的理想氣體數(shù)學模型。此模型，以理想氣體等溫流

4、動經過迷宮密封-轉子系統(tǒng)為基礎，預測了氣動力等效動特性系數(shù)。并在此基礎上，引入了水蒸汽熱物性，以實際氣體等焓流經迷宮密封-轉子系統(tǒng)為前提，建立了嚴格意義上的真實水蒸汽密封流動數(shù)學模型，揭示超超臨界機組密封流動過程中高壓汽流對轉子運轉的影響。此外，迷宮密封-轉子系統(tǒng)的流動是十分復雜的，為了簡化分析，使用了控制體模型，模型中引入了流量系數(shù)、動能攜帶系數(shù)等經驗常數(shù)來補充密封結構對密封流動影響的信息。因此，本文建立求解密封全流場數(shù)學模型，通過該

5、模型的求解揭示密封流動細節(jié)，并給出由全流場模擬結構推算控制模型所用的流量系數(shù)和動能攜帶系數(shù)等經驗常數(shù)的方法。 本文通過實驗與計算結果的比較分析深化對密封流動物理過程的理解，從定性和定量上驗證有關數(shù)學模型的可信性。經過實驗和數(shù)值計算結果對比分析發(fā)現(xiàn)：沿軸向密封腔室內的靜壓分布呈逐腔下降分布，并且數(shù)值結果和實驗結果相對誤差小于5％。密封腔室周向壓力脈動，其幅度與轉子渦動相關。并且不同周向測點脈動壓力相位也與轉子渦動相關。脈動壓力幅值

6、和相位的數(shù)值計算結果與實驗測量吻合良好。此外，當高壓氣流流經迷宮密封-轉子系統(tǒng)時，作用在渦動轉子的氣流力對轉子臨界轉速有影響。實驗轉子加氣后一階臨界轉速有所下降，隨著壓比增大，下降幅度進一步增加；數(shù)值計算與實驗結果對加氣后臨界轉速變化的描述完全吻合。而且，密封內高壓氣流的影響導致轉子穩(wěn)定性下降。隨著壓比增大，轉子穩(wěn)定性下降更為嚴重顯著。有關實驗和數(shù)值計算的結論也一致。因此，可以看出從實驗和數(shù)值計算對比分析驗證了空氣流動數(shù)學模型計算方法的

7、正確性進而，針對首臺國產1000MW超超臨界機組高壓平衡活塞軸封，在設計工況下(進口和出口壓力/溫度分別為176bar/5300C和59.46bar/476.630C)，用本文編制的水蒸汽流動數(shù)學模型進行了盲算，并與外方提供驗收判據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)本文編制軟件預測的汽動力等效動特性系數(shù)與判據(jù)接近，并且經轉子動力學分析指出考慮密封汽動力后機組轉子臨界轉速有所升高，穩(wěn)定性裕度有所降低，但仍足以保證穩(wěn)定工作。結果與外方判據(jù)相吻合。