反预旋密封动力特性实验研究*

孙 丹*/沈阳航空航天大学

肖忠会 孟继纲 于小丹 李凯华/沈阳鼓风机集团股份有限公司



反预旋密封动力特性实验研究*

孙 丹*/沈阳航空航天大学

肖忠会 孟继纲 于小丹 李凯华/沈阳鼓风机集团股份有限公司

Abstract

密封的动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大，反预旋密封是提高密封稳定性的有效方法。本文设计加工了阻旋栅与反旋流密封，实验研究了反预旋密封动力特性，设计搭建反预旋密封动力特性实验台，应用不平衡同频激励法实验研究反预旋对密封动力特性的影响。研究结果表明，反预旋密封的动力特性绝对值随进出口压比与转速的增大而增大；反预旋装置可有效降低密封交叉刚度，增加密封主阻尼，提高密封稳定性。本文研究揭示了反预旋密封抑制气流激振力的机理，为设计反预旋密封提供理论依据。

反预旋密封；振动；动力特性；实验研究

1 概述

密封是航空发动机、燃气轮机、汽轮机、压缩机等旋转机械的关键部件，起着防止工作介质泄漏和节能降耗的关键作用。近年来随着旋转机械工作介质参数的不断提高，密封在防止流体泄漏的同时，还会产生较大的气流激振力。当密封切向气流激振力引起转子涡动的频率与转子固有频率接近时，转子系统就会发生气流激振故障，引起转子失稳。密封的动力特性系数是评价密封稳定性的重要参数［1-3］。研究表明，由进气预旋产生的交叉刚度是引起密封失稳的重要因素［4-6］。

为减小密封进气预旋，提高密封稳定性，A.Muszynska于上世纪80年代提出一种反预旋思想［7］。反预旋密封形式主要包括阻旋栅密封［8］与反旋流密封［9］。阻旋栅密封即在传统密封结构基础上，在进口处加工若干降低密封预旋的栅板，如图1（a）所示。反旋流密封即在密封上开有向密封间隙内充气的反吹孔，通过反吹孔向密封内导入与转子转动方向相反的流体，来减小密封预旋。图1 （b）为反旋流密封实物图。已有学者对反预旋密封的性能做了相关研究。Nielsen和Childs［10］对航天飞机SSME HPFTP项目中阻旋栅密封的静力与动力特性进行了实验和理论比较。研究结果表明，阻旋栅密封的栅板结构能有效降低密封预旋，减小密封交叉刚度，提高密封稳定性。Soto 与Childs［11］实验研究了径向垂直注入与反预旋注入两种进气方式的反旋流密封动力特性。研究结果表明，反预旋进气密封的动力特性优于径向进气密封的动力特性，可以进一步降低密封交叉刚度。从目前发表的文献来看，国际ASME透平机械年会几乎每年都有反预旋栅密封静力与动力特性研究相关报道，而国内关于反预旋密封研究较少，鲜有反预旋密封动力特性影响的相关实验成果报道。

图1　反预旋密封实物图

本文设计加工了4种阻旋栅结构与3种反旋流密封结构，设计搭建反预旋密封动力特性实验台，采用不平衡同频激励法实验研究反预旋对密封动力特性系数的影响。本文研究成果为设计反预旋密封提供理论依据。

2 实验方法

2.1 气缸阻抗函数矩阵测定

多级密封内的气流力可以等效到气缸两端垂直和水平方向上，如图2所示。

图2　气流力等效模型及气缸动态模型图

在微幅激振下，可将气缸看作线性系统。同时考虑垂直和水平方向的振动耦合，气缸两端水平垂直振动与力的关系可以写成：

X和Y分别表示水平和垂直方向上气缸绝对振动。［Z］矩阵为气缸阻抗函数矩阵，与气缸结构、支撑弹簧刚度及激振频率等有关，可以通过对气缸两端垂直和水平方向4点分别激振实验求得，如图3所示。

2.2密封动力特性系数识别

考虑到气缸偏摆的影响，气缸所受的总的水平和垂直方向气流力由两端气流力合成得到：

式中，下标1和2表示气缸左端和右端。

密封转子系统的动力学方程可以写成：

式（4）包含2个方程4个未知数，为了求解必须构建4个独立方程。改变转子不平衡量可以得到两组力和相对振动值，本文在两组不平衡状态下构建4个独立方程，写成矩阵形式如下所示：

式中，下标I和II表示两组不同的平衡状态。由式（5）可以计算得到密封动力特性系数矩阵［Hij］：

测量得到两次平衡状态下气缸两端垂直/水平方向的等效气流力和相对振动，即可求得动力特性系数矩阵［Hij］。对Hij分别取实部和虚部即得到对应的刚度系数kij和阻尼系数cij。

3 实验装置

密封实验台如图4所示。实验台转子长1 800mm，实验段转子直径Φ180mm，最高转速6 000r/min，密封平均间隙为0.2mm。实验台气缸通过水平、垂直、轴向弹簧拉紧支撑。两侧轴上各安装一个平衡盘，用于改变转子不平衡状态。气缸两端各布置一对相对振动测点和一对绝对振动测点。通过键相触发实现信号同步采集，实验台采用螺杆式压缩机产生的高压空气最高压力为1MPa。

图4　密封实验台实物图

3.1 阻旋栅密封动力特性实验装置

为了研究阻旋栅密封的动力特性，实验台通过气缸中间上下对称的4个进气口导入高压气体，通过将密封进气方向设计为与转子转动切线方向成45°，来模拟密封实际的进气预旋，如图5所示。气缸内壁静子上共安装6组阻旋栅密封，高压气流由中间密封进气并通过两端3组密封腔室逐级流出。

图5　密封进气方式图

3.2 反旋流密封动力特性实验装置

为研究反旋流密封的动力特性，实验台安装了分气缸，分气缸通过8根高压输气管及调压阀将不同压力的气体输送至密封进气口与反吹孔。图6表示反旋流密封实验台密封安装方式。气缸内壁中间安装两组反旋流密封，密封进口与反吹孔进口均采用周向对称4根管道进气，高压气流通过两端密封腔室逐级流出。

图6　密封实验台密封安装方式图

图7　动力特性系数随转速的变化关系图

4 密封动力特性实验结果分析

4.1 阻旋栅密封动力特性实验结果分析

4.1.1 转速对阻旋栅密封动力特性的影响

图7给出了进出口压比为6，转速为1 500～3 000r/min时，转速对不同形状及数量的阻旋栅密封动力特性系数的影响。由图7可以看出，阻旋栅密封刚度系数、阻尼系数的绝对值随着转速的增大而增大。阻旋栅密封进气口的栅板，降低了流体周向流速，减小了密封交叉刚度，增加了密封的主阻尼。且随着阻旋栅周向数量、径向长度的增加，其作用越明显。由此可见，预旋是密封产生交叉刚度的重要因素。

4.1.2 进出口压比对阻旋栅密封动力特性影响分析

图8给出了转速为3 000r/min时，进出口压比对不同阻旋栅密封动力特性系数的影响。由图8可以看出，随着进出口压比的增加，阻旋栅密封刚度系数、阻尼系数的绝对值随着进出口压比的增大而增大。这是由于进出口压比增加，密封进气预旋增大引起的。随着阻旋栅周向数量与径向长度的增加，密封进气预旋降低程度增大，密封周向压差逐渐减小，进而降低了密封的交叉刚度，同时也增加了密封的主阻尼，提高了密封的稳定性。

图8　动力特性系数随进出口压比的变化关系图

图9　动力特性系数随转速的变化关系图

4.2 反旋流密封动力特性实验结果分析

4.2.1 转速对反旋流密封动力特性的影响

图9给出了在密封进口压力为0.7MPa，反旋流压力为0.8MPa，出口压力为0.1MPa，转速为1 500～3 000r/min的实验工况下，转速对无/有反旋流4种密封动力特性系数的影响。反旋流密封刚度系数、阻尼系数随着转速的增大而增大，这是由于在转子旋转带动下，密封间隙流体切向流速随转速升高而增加，进而导致密封动力特性增大。反旋流对密封动力特性系数影响较大，反旋流可以有效的降低密封的交叉刚度，增加密封的主阻尼，且随着反旋流流速的增加，其作用越明显。4.2.2 进出口压比对反旋流密封动力特性的影响

图10给出了在密封进口压力为0.5～0.7MPa，反旋流压力为0.8MPa，出口压力为0.1MPa，转速为3 000r/min的实验工况下，无/有反旋流4种密封动力特性系数随密封进出口压比的变化关系。由图10可以看出，随着进出口压比的增加，反旋流下密封刚度与阻尼系数均增大。这是由于进出口压比增加，密封间隙流体切向速度增大，周向压差增加引起的。在反旋流的作用下，随着反旋流速度的增加，密封间隙流体切向速度逐渐降低，密封周向压差逐渐减小，进而降低了密封的交叉刚度，同时也增加了密封的主阻尼，提高了密封的稳定性。

图10　动力特性系数随密封进出口压比的变化关系图

5 结论

本文设计加工阻旋栅结构与反旋流密封结构，设计搭建反预旋密封动力特性实验台，采用不平衡同频激励法实验识别反预旋对密封动力特性系数的影响，得到以下结论：

1）随着转速及进出口压比的增大，密封刚度系数及阻尼系数的绝对值均增大；

2）预旋是产生交叉刚度的主要原因。阻旋栅和反旋流密封可有效降低密封交叉刚度系数，增加直接阻尼系数，增强密封稳定性。

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Experimental Study on Antiprerotation Seal Rotordynam ic Characteristic Influence

Sun Dan/Shenyang Aerospace University& Shenyang BlowerWorksGroup Co.Ltd.
Xiao Zhong-hui，Meng Ji-gang，Yu Xiao-dan，Li Kai-hua/Shenyang Blower WorksGroup Co.Ltd.

The seal dynamic characteristics play an important role in rotating machinery rotor system stability.The use of anti-prerotation device is an effective method to improve the seal stability.The paper designed seals with swirl brakes and anti-awirl flow，Experimental research on the performances of anti-prerotation for the dynamic characteristics of seals was investigated.The rotordynamic coefficients were identified with an improved impedance method based on unbalanced synchronous excitation method.The results show that，the absolute value of the rotor dynamic coefficients increasewith the inlet/ outlet pressure ratio and rotational speed. Anti-prerotation devices can effectively reduce the seal cross stiffness，increase seal damping，and improve seal stability. The study reveals the mechanism of anti-prerotation devices inhibition air excitation force，and that provides the basis for the design of theanti-pretotation seal.

anti-prerotation seal；vibration； rotordynamic coefficients；experimentalstudy

TH452；TK05

A

1006-8155（2016）01-0029-06

10.16492/j.fjjs.2016.01.0133

国家自然科学基金项目（11302133）；航空基金（20140454003）；辽宁省教育厅基金项目（L2013071）

*本文其他作者：孙丹/沈阳鼓风机集团股份有限公司

2015-09-30 沈阳 110142