【摘要】：密封問題是影響現(xiàn)代透平機(jī)械向高功率與穩(wěn)定性發(fā)展的主要影響因素之一。自適應(yīng)氣膜密封是具有發(fā)展?jié)摿Φ牡托孤└咝阅苊芊?是促進(jìn)透平機(jī)械向高性能發(fā)展的重要手段,對其開展相應(yīng)的理論和試驗研究,具有重要的理論意義和工程價值。本文首先進(jìn)行了自適應(yīng)氣膜密封的基礎(chǔ)研究,然后提出了基于自適應(yīng)氣膜密封的透平機(jī)械密封增效減振技術(shù)。首先從一維理論出發(fā),研究了自適應(yīng)氣膜密封的流體機(jī)理和控制模型,分析了氣膜密封的增效減振性能,比較了Whipple窄槽理論和Muijderman窄槽理論的精確性。研究表明,氣膜密封間隙內(nèi)流體的流動可以歸為進(jìn)出口壓差使流體在半徑方向上的泊肅葉流和動靜環(huán)表面相對速度使流體在圓周方向上的庫特流。氣膜密封的流體泄漏抑制能力優(yōu)于傳統(tǒng)梳齒密封,流體力指向軸向,不存在密封激振問題。Whipple理論低估了氣膜密封的承載力,泄漏量精度受氣膜厚度影響較大。Muijderman理論考慮了介質(zhì)可壓縮的影響,具有更高精度。兩者的氣膜力和泄漏量分別相差約16%和14%。Muijderman方程的求解伴隨著邊界初值問題和打靶法問題,造成求解較為困難。采用Adomian分解方法,提出了Muijderman方程的近似解。近似解形式簡單、計算量小,誤差控制在5%范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上,利用柯西積分定理求解法,提出了Muijderman方程的顯式解。顯式解沒有犧牲解的精度,能夠準(zhǔn)確得到氣膜密封的性能。與傳統(tǒng)解法相比,新解法更加簡單和方便,可以指導(dǎo)氣膜密封設(shè)計,便于工程問題得到快速解決。在一維理論的基礎(chǔ)上,提出了一種氣膜密封的二維數(shù)值模型,能夠考慮更復(fù)雜因素對氣膜密封性能的影響。通過與三維CFD的比較,發(fā)現(xiàn)模型與CFD的誤差不超過4%,但計算量較小。以此模型為方法,研究了Muijderman窄槽理論的精確性及槽型對氣膜密封性能的影響。結(jié)果表明,窄槽理論高估了氣膜力、泄漏量和氣膜剛度,尤其對氣膜剛度的預(yù)測準(zhǔn)確性較差,某些情況下誤差達(dá)到52%。梯型槽密封的承載能力、穩(wěn)定性和功耗都比螺旋槽密封差,但泄漏抑制能力更好,主要差異體現(xiàn)在梯型槽密封穩(wěn)定性的降低。為了研究氣膜的形成機(jī)理及影響因素,搭建了一種動壓氣膜試驗臺,實現(xiàn)了氣膜厚度、氣膜電阻、推力盤轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)的測量。發(fā)光二極管熄滅試驗說明了在推力盤和瓦塊之間產(chǎn)生了一層完整的氣膜使動靜端面完全脫開。氣膜產(chǎn)生的承載力等于推力盤的重力為1.47 N。推力盤能夠持續(xù)旋轉(zhuǎn)約15 s,最高轉(zhuǎn)速為350 r/min,最厚氣膜約為5μm。推力盤底面中心區(qū)域高于邊緣區(qū)域,使氣膜的有效面積減少,導(dǎo)致了測量的氣膜間隙小于理論計算值。推力盤底面的三個凸起較為影響氣膜的穩(wěn)定性,增加了表面接觸機(jī)會,引起了可傾瓦塊的擺動。提高動環(huán)的表面質(zhì)量(如減少動環(huán)表面的不平整度)有利于氣膜的形成,增加氣膜的穩(wěn)定性。針對汽輪機(jī)工作環(huán)境,研究了介質(zhì)參數(shù)對氣膜密封性能的影響,比較了理想氣體法、對比態(tài)定律壓縮因子法和IAPWS-IF97法三種過熱蒸汽理論模型。結(jié)果表明,理想氣體法較為簡單,適用于壓縮因子接近于1的過熱蒸汽;IAPWS-IF97法最為精確,但計算量較大;對比態(tài)定律壓縮因子法介于兩者之間。介質(zhì)對氣膜密封性能的影響主要體現(xiàn)在粘度的不同,過熱蒸汽粘度介于空氣和甲烷之間,因此過熱蒸汽相比空氣略微降低了氣膜密封性能,相比甲烷略微提高了氣膜密封性能,它們之間的相對差異不超過8%,介質(zhì)對氣膜密封的性能影響較小。最后,提出了一種基于自適應(yīng)氣膜密封的新型汽輪機(jī)葉頂復(fù)合密封,用以降低汽輪機(jī)葉頂泄漏損失和流體激振問題。建立了基于自適應(yīng)氣膜密封的汽輪機(jī)葉頂泄漏三維CFD模型,分析了復(fù)合密封的泄漏損失及其對缸內(nèi)流體的氣動損失影響,研究了復(fù)合密封的動力學(xué)特性和動環(huán)變形對氣膜間隙的影響。結(jié)果表明,復(fù)合密封具有較高的流動阻力,降低了葉頂泄漏及由泄漏引起的效率損失。相比傳統(tǒng)兩齒葉頂迷宮密封,復(fù)合密封使泄漏量降低了99.3%,汽輪機(jī)動葉級效率提升了1.9%。增加密封環(huán)面積和彈簧剛度,能夠提高靜環(huán)的跟隨能力,增強(qiáng)氣膜的穩(wěn)定性。增加動環(huán)厚度能夠提高動環(huán)強(qiáng)度,減少結(jié)構(gòu)變形對氣膜間隙的影響。葉頂氣膜密封的引入為解決密封的增效減振問題提供了新思路,是提高透平機(jī)械效率的一種潛在途徑。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH136

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2710880