动密封转子动力特性谐波激励实验测试方法
2022-06-10方志李志刚王天昊薛文松李军
旋转机械是现代工业中最重要的热功转换装备,在电力、交通、航空航天、军工等国民经济与国防安全领域均具有广泛应用。动密封是现代旋转机械关键部件之一,通常安装在旋转机械的动静部件配合面间隙处,以控制工质泄漏、提升旋转机械运行效率。以往研究表明:先进的动密封技术可使航空发动机燃料消耗率减小0.9%～1.9%,使燃气轮机输出功增大0.3%～1.0%
。此外,先进的动密封技术,对旋转机械轴系稳定也至关重要。转子发生微小偏心时,动密封内的流体工质由于Alford效应和Lomakin效应会产生流体激振力,可能诱发转子失稳
。在国内,已有20多台300、600 MW等级电站汽轮机,出现严重的气流激振问题,造成机组振动超标和不能满负荷发电,严重影响电厂安全经济运行
。因此,针对现代旋转机械,开展动密封泄漏特性与气流激振动力特性研究具有重大工程意义。
动密封性能研究方法主要包括Bulk Flow理论研究方法、CFD数值研究方法以及实验研究方法。Bulk Flow方法于1984年由Nelson等首次提出
,该方法忽略了密封内流体的当地湍流脉动速度,以特定控制体的平均速度来建立控制方程,壁面剪切应力由控制体平均速度和摩擦因子关联式求得。该方法极大简化了动密封转子动力特性系数求解过程,显著提升了计算效率且具有一定的预测精度,因此在工程领域得到了广泛应用。在Nelson之后,双控制体Bulk Flow方法
、考虑能量方程的理想气体Bulk Flow方法
等相继被提出,Bulk Flow方法的应用范围逐渐变广,计算精度也逐步提升。总体上,Bulk Flow方法虽然具有计算速度快的优点,但计算精度欠佳,因此难以应用于动密封精细化设计与性能分析。
结语：在今后的学习、生活、工作中，将充分发挥学生党员在学生公寓管理和公寓文化建设中的先锋模范作用，从自身做起，积极带动周围同学在实践中“履行宗旨、锻炼党性、提高修养”如何把优秀大学生凝聚在党的旗帜下，是高校学生党建工作的重要使命。
得益于计算机技术的发展,动密封CFD数值研究方法逐渐兴起。近年来,国内外学者做了大量的动密封CFD数值研究
。李志刚等针对袋型阻尼密封,开展了不同运行工况下密封泄漏与转子动力特性数值研究
。陈尧兴等针对迷宫密封,开展了蘑菇形磨损对迷宫密封泄漏与转子动力特性的影响研究
。Migliorini等针对孔型密封,开展了孔腔结构参数对密封泄漏特性与摩擦因子的影响研究,论文给出了不同孔深的孔型密封子午面流场,说明了孔腔内涡流结构是影响孔型密封泄漏特性与摩擦因子的关键因素
。CFD数值研究方法能够提供精细化的内部流场、压力场等信息
,且计算精度以及计算效率随着计算技术的发展逐步提升。总体上,虽然CFD数值研究方法逐渐趋于成熟,但仍然需要更多的实验研究结果为其提供可靠性支撑。
动密封的实验研究一直是国内外学者关注的热点。目前,国外对动密封气流激振动力特性的实验研究成果十分显著,代表性的研究机构包括美国Texas A&M大学叶轮机械实验室的Childs和Vance研究团队
、德国慕尼黑工业大学能源系统研究所的Pugachev研究团队
,以及GE公司旋转机械振动实验室的Ertas团队
和GE Oil& Gas先进技术中心的Vannini团队
。而在国内,动密封气流激振动力特性实验研究起步较晚,代表性的包括沈阳航空航天大学的孙丹、上海交通大学的王炜哲等
。目前,国内动密封气流激振转子动力特性实验研究工作主要集中在迷宫密封的频率无关转子动力特性系数的测量、迷宫密封轴承转子系统临界转速和稳定性评估方面,缺少针对当前先进动密封技术(如孔型/蜂窝密封、袋型密封等)频率相关的转子动力特性系数实验测量,极大地限制了国内密封技术的发展以及其在旋转机械中的应用。
针对动密封频率相关的转子动力特性实验研究需求,本文搭建了基于谐波激励机械阻抗法的动密封转子动力特性实验台。该实验台利用电磁激振器对密封静子件分别施加
和
两个正交方向的单频/多频谐波激励,同步测量密封静子件的涡动位移、涡动加速度以及所受的激振力等动态信号,通过无压缩气体的基准实验解耦实验台机械阻抗和动密封气流阻抗,求解力-位移线性方程,得到频率相关的动密封转子动力特性系数。该实验台能够开展不同运行工况(压比、转速、预旋比和偏心率)、不同密封结构(迷宫、蜂窝/孔型、袋型密封等非接触式动密封)和不同密封间隙下的频率相关转子动力特性实验测量,有望为国内动密封技术的发展与工业应用提供实验测试平台和数据支撑。
1 实验台结构
1.1 实验系统
图1给出了本文搭建的动密封转子动力特性实验台的系统图。实验系统包括供气系统、驱动系统、润滑系统、激振系统以及动态信号测量系统。
实验台利用NI数据采集卡,同步采集上述测量信号。各传感器信号以电压、电流形式传输至采集卡,通用Labview编辑采集程序,同步采集、记录位移、力、加速度、温度以及流量信号。图7展示了Labview编辑的数据采集程序,该采集程序可实时显示力、位移、加速度等采集数据,自主控制采样频率以及采样时间,并布置有滤波器,可过滤噪声干扰。本文搭建的动密封转子动力特性实验台,能够开展不同运行工况(压比、转速、预旋比和偏心率)、不同密封结构和不同密封间隙下的频率相关转子动力特性实验测量。具体可测量的实验工况范围由表1给出。
驱动系统由主控电脑、变频电机组成,电机通过膜片联轴器连接实验台转子部件。实验台转子转速以及转向均可通过电脑控制变频电机调节,最高转速可达15 000 r/min。
润滑系统由小型空压机、干燥器、轴承油气润滑装置组成,润滑油气混合物通过输油管进入轴承内部以润滑轴承,同时利用温度传感器时刻监测轴承温度,保证其安全稳定运行。
激振系统包括激振控制仪、功率放大器、激振器、力传感器、激振杆。实验测试时,激振系统采用反馈回路控制。激振控制仪发出力谐波激励信号,通过功率放大器放大传输至激振器,激振器与密封静子件通过激振杆刚性连接,激振器根据收到的谐波激励信号激振密封静子件。力传感器监测密封静子件实际受力,同步反馈到激振控制仪中,激振控制仪根据反馈信号,调整输出激励信号,最终实现稳定的目标力谐波激励信号。激励信号频率范围为0～500 Hz,振幅范围为0～1 000 N,可为单频信号或多频叠加信号。
动态信号测量系统包括Ni数据采集系统、铠装铂电阻温度传感器、加速度传感器、电涡流位移传感器、力传感器以及PSI压力扫描阀。利用Labview搭建数据采集程序,可同步测量密封进口总静压力、密封进口旋流速度、静子件涡动位移、涡动加速度以及静子件受到的激振力,处理可得到动密封频率相关的转子动力特性系数。
为获得各频率下的系统动力特性系数,需在频域范围内求解式(1)。因此对式(1)中的激振力、涡动位移、涡动速度以及涡动加速度进行快速傅里叶变化,可得式(1)的频域形式
“我们想大力支持中小企业，但最大的担心来自银企信息不对称。”某股份制银行分行中小企业部总经理石斌杰说，“做贷款，当然要摸清企业的情况，比如税收、社保缴纳、公司产值、老板资金状况、贷款去向等，但这些问题靠目前的征信系统解答不了，增加了办理贷款的难度。另外，我们很希望有担保公司来做中小企业的担保，现在很多企业想贷款，既没有担保也不愿给抵押物，这不利于银行控制风险。”
1.2 测量仪器与实验方法
图4给出了动密封泄漏与转子动力特性实验台的实验测量流程图。为解耦实验台机械阻抗与动密封气体阻抗,需先开展无压缩气体的基准实验获得实验台自身的机械阻抗和系统静子件质量。
产品开发的效率是影响产品成本的关键因素之一，应用PDM管理产品开发数据，各项数据交换在系统内留有永久记录，例如，PDM系统提供文件版本管理功能，保存款式和样板的各个修改版本，为优化产品开发流程提供完整的分析数据。设计部门可以依照设计过程的统计数据，对设计师的设计能力做出综合评价，根据设计师的优势分配工作任务；管理部门通过对人员修改版本和次数的查阅，方便查明返工原因，对症下药，提出有效的解决方案。面向服装产品开发流程的PDM系统为企业管理者全面掌握产品开发进度，管控产品开发流程，提供了实时有效的手段。
带压激振实验是控制进气调节阀对动密封通入压缩气体进行的带压实验。通过驱动系统、激振系统施加与基准实验相同的转速和激振频率,测得带压动密封气体和实验台系统的总阻抗,减去基准实验测得的机械阻抗系数,即可得到动密封气流激振阻抗系数,然后求解得到频率相关的转子动力特性系数。
试验材料为2016年5月12日从海南琼海、临高、三亚等地沿海采集的4种芋螺，置于-85℃超低温冰箱中待用。4种芋螺分别为橡木芋螺(C. quercinus)、桶形芋螺(C. betulinus)、将军芋螺(C. generalis)和唐草芋螺(C. caracteristicus)。
实验台利用激振仪控制激振器输出激励信号,激振器共有两台,分别布置在
、
两个正交方向上,两台激振器的力激励信号的幅值、频率、相位差均可独立调控。两个激振器分别施加
、
方向的激励信号,通过两个激励信号的耦合作用,可实现密封静子件单频椭圆涡动以及多频椭圆涡动等不同轨迹涡动。
图5给出了激励信号控制界面示例。如图5(a)所示,激振系统对两个激振器给定频率一致、幅值不同,相位差为90°的单频正弦力激励信号,此时密封静子件的位移响应轨迹为单频椭圆轨迹。如图5(b)所示,激振系统对两个激振器给定频率一致、幅值不同,相位差为90°的多频正弦力激励信号,此时密封静子件的位移响应轨迹为多频椭圆轨迹。实验过程中,激振系统控制信号输出幅值、波形以及频率均能够长时间维持稳定,满足实验稳定激励条件需求。
激振系统控制激振器施加目标激励信号时,测量系统同步采集静子件受力、涡动位移以及涡动加速度等动态信号,通过求解力-位移线性方法,获得密封动力特性系数。测量所用传感器安装位置如图6所示,两个激振器互相垂直布置,与水平方向夹角为45°(定义为
、
方向),通过激振杆刚性连接到密封静子件上,施加激励信号。激振杆上安装有力传感器,用以测量静子件所受
、
方向上的激振力。在静子件上布置有4个电涡流位移传感器,其中两个布置在
方向上,且分别位于静子件轴向两端,均测量静子件
方向的涡动位移,通过比较两个
方向位移传感器的信号是否一致,可检测静子件是否在
方向上发生扭振。另外两个电涡流传感器布置在
方向上,且分别位于静子件轴向两端,均测量静子件
方向的涡动位移,通过比较两个
方向位移传感器的信号是否一致,可检测静子件是否在
方向上发生扭振。加速度传感器共有两个,布置在静子件轴向中间位置,且分别为位于
、
方向上,分别测量静子件在
、
方向上的加速度。
供气系统由压缩机组、储气稳压罐、旁通阀、冷冻式干燥机、进气阀、热式气体质量流量计、调节阀以及分流管组成,用以给密封实验段进口提供具有稳定压力的干燥气流。通过进气阀和旁通阀的共同调节可实现密封进口压力的改变。
1.3 动力特性系数识别方法
1.3.1 实验台系统动力特性系数
动密封转子动力特性测试之前,需先进行基准实验。基准实验是指在转子施加特定转速且无进气情况下开展的激振实验。实验过程中,激振系统对静子件施加目标激励信号,测量系统同步采集静子件受力、加速度以及位移信号,处理可得到实验台系统质量、系统机械刚度系数与阻尼系数。
邓肃（1091-1132）《送成材》借冯道寄托忠奸之感慨：“伯夷自甘首阳蕨，商臣不戴周日月。那知世人冷笑渠，却言冯道有全节……” 〔17〕（卷七）胡寅（1098-1156）也针对苏辙维护冯道的言论，大谈君臣之义：“苏氏尝学春秋而昧乎君重于师之义，区区立论为道解纷，亦可见其不知王道之权衡矣……而乃君亡不愤，国破不耻，推戴他人，忍而安之，人理至此。则虽空天下而无人举，生齿而尽死亦何预。”〔18〕（卷三十）范浚（1102-1150）把国家灭亡归因于冯道这类人：“冯道相庄宗，又相明帝……方且著书，自陈更事四姓与契丹所得阶勋官爵以为荣，呜呼！有臣如此，唐与晋汉安得不亡乎？ ”〔19〕（卷八）
基准实验时,采用下式对密封静子件进行受力分析,即
(1)
图2给出了动密封转子动力特性实验台的结构图。图3给出了实验台测量段内部结构模型图。实验台在轴向中间位置均匀布置4个进气管道,保证周向进气均匀。进气经预旋环后产生周向旋流速度,并向两端测量密封段流动。密封出口为大气环境。密封进口预旋腔中布置毕托管和温度传感器,测量进口总静压力、旋流速度以及进口气流温度。
(2)
式中:(
,
)为静子件涡动位移的频域信号;(
,
)为实验台系统机械阻抗系数;
(3)
式(2)中(
,
)、(
,
)以及(
,
)为已知量,均由测量系统采集得到时域信号,经过快速傅里叶变换得到频域信号;
bl,
和
为未知量。
为求解式(2)中的系统机械阻抗系数,需开展两次独立的激振实验,增加方程数量。本实验台采用两次椭圆轨迹涡动实验,第一次实验椭圆轨迹长轴位于
方向,称为
方向激振实验;第二次实验椭圆轨迹位长轴位于
方向,称为
方向激振实验。通过两次激振实验,可得方程组
(4)
式中:
为
方向激振实验时,静子件所受的
方向上的激振力;
s,
为
方向激振实验时,静子件在
方向上的加速度;
为
方向激振实验时,静子件在
方向上的位移。
根据式(4),系统机械阻抗系数为
(5)
根据式(3),系统的机械刚度以及机械阻尼可由下式求解得到
解放思想是发展中国特色社会主义的一大法宝，是我们党的基本思想路线，也是“科学发展观”的精华所在。随着改革开放的逐步深入和近几年来内外部环境发生的较大变化，胜利油田不断面临着许多改革和发展中出现的新问题。为此，只有从如何实现又好又快发展入手，用心走好思想变革之路、良性开发之路、技术进步之路，才能营造出了一个解放思想、合力发展的良好内外部发展环境，才能实现用创新思维指导发展。
(6)
无进气环境下,系统机械刚度是频率无关的。因此,当代入正确的系统质量到式(5)中,求解出来的系统机械阻抗的实部关于
线性拟合的函数斜率应为0。
以质量矩阵
为优化变量,以系统机械阻抗系数实部关于
线性拟合的函数斜率绝对值为优化目标,进行优化求解计算。当拟合函数斜率绝对值(优化目标)小于10
时结束优化,此时质量误差已经足够小可以忽略,优化得到的质量矩阵约为静子件实际质量。代入实际系统质量以及测量得到的
、
以及
到式(5)、式(6)中,即可求解得到系统阻抗系数、刚度系数以及阻尼系数。
通过现场聆听讲解和结合高科技电子技术模拟再现情景体验，大家接受了一次深刻的红色教育，党性得到进一步锤炼，思想得到进一步洗礼。广大党员干部纷纷表示，要坚定理想信念，继承和发扬革命先辈坚忍不拔、顽强拼搏、勇往直前的大无畏精神，一定要倍加珍惜今天的美好生活，时刻牢记全心全意为人民服务的宗旨，继续发扬艰苦奋斗的精神，以实际行动做一名合格的共产党员。深入学习贯彻党的十九大精神、习近平总书记系列重要讲话，不忘初心、尽职尽责、尽力而为，用实践诠释担当，在担当中锤炼党性，为德州生态文明建设贡献力量。
图8给出了本文针对某迷宫密封所做的基准实验中系统刚度系数(机械阻抗系数的实部)关于频率的拟合结果。实验过程中,由于75 Hz～102 Hz频率段实验台发生较强的共振,实验误差较大,因此删除该频率段数据。由图8可知,当系统静子质量假定偏大或偏小,机械阻抗系数实部与频率具有很强相关性。通过上述优化计算,使得系统机械阻抗系数实部的频率相关性最小,即可得到准确的静子质量,进而代入式(5)中求解得到系统机械刚度、阻尼系数。
为获得密封动力特性系数,需开展带压激振实验,带压激振实验是在高压进气环境下开展的激振实验。带压激振实验时,为增加方程数量,也需开展两次激振实验,分别为
方向激振实验和
方向激振实验。采用下式对密封静子件进行受力分析
1
3
2 密封动力特性系数
(7)
(8)
(9)
式中:
为总阻抗系数;
bl,
为系统机械阻抗系数;
bl,
和
bl,
为系统机械刚度与阻尼系数;
s,
为动密封气流激振阻抗系数;
bl,
为密封气体刚度与阻尼系数。
式(7)中,
、
以及
为带压激振实验时静子件的激振力、涡动加速度以及涡动位移,由测量系统采集得到时域信号,经过快速傅里叶变换得到频域信号。代入基准实验获得的系统质量矩阵
到式(7),即可得到总阻抗系数
(10)
将
以及基准实验获得的系统机械阻抗系数
bl,
代入式(8)中,即可获得动密封气流激振阻抗系数
s,
。
将
s,
代入式(9)中,即可解耦得到动密封转子动力特性系数
s,
和
s,
(11)
1.4 实验误差分析
1
4
1 仪器测量误差
审计画像风险评估是以经责和风险指标数据为输入，系统通过灰色评价法模型对指标、大类、被审计单位三个层面自动进行健康程度相对性评价，减少人为参与，按数据分布获得科学客观的结果，达到风险评估的目的。
实验过程中,密封进口压力、激励力、振动位移以及加速度等由实验仪器直接测量得到。表2给出了各直接测量物理量所用的测量仪器及仪器精度。
各直接测量量的相对误差取决于仪器误差以及实际测量应用范围,各直接测量相对误差为
(12)
式中:
为测量值;Δ
为测量绝对误差。对于泄漏量与压力,测量绝对误差由仪器精度
乘以量程
得到
Δ
=
(13)
对于温度、位移、力以及加速度,测量绝对误差可由灵敏度
乘以仪器非线性误差
得到
在本文的研究中，采用MATLAB7.0软件作为求解计算工具。根据本文所使用的多元回归模型以及表1所整理准备的基础数据设计和建立山东省工业用地量预测模型，具体操作步骤及计算结果如下：
Δ
=
(14)
1
4
2 动力特性系数测量误差
动密封转子动力特性系数
以及
为间接测量量,实验测量误差需由误差传递公式得到。
基准实验是在不通压缩气体条件下进行的无压实验。控制电机对转子施加转速,通过激振器对密封静子件施加激振,使得密封静子件呈特定轨迹涡动,同步测量静子件受力、涡动位移以及涡动加速度,利用快速傅里叶变换在频域求解获得密封实验台机械阻抗系数和系统静子件质量。
根据式(9),动密封转子动力特性系数的绝对误差Δ
和Δ
与密封阻抗系数的绝对误差Δ
s,
关系如下
(15)
根据式(8),密封阻抗系数的绝对误差Δ
s,
,需由总阻抗系数的绝对误差Δ
以及系统机械阻抗系数的绝对误差Δ
bl,
通过下式获得
Δ
s,
=|Δ
bl,
|+|Δ
|
(16)
因此,为获得动密封转子动力特性系数的绝对误差Δ
和Δ
,需要先求解总阻抗系数的绝对误差Δ
以及系统机械阻抗系数的绝对误差Δ
bl,
。
2）铲除菌源。苹果落叶后至萌芽前，要彻底、细致地剪除病梢，春季复剪时再仔细搜索，剪除病梢，予以深埋，以减少越冬菌源。苹果树芽萌动后及时剪除初次侵染的病梢，带出果园销毁或深埋，以减少再侵染病菌源。
式(5)给出了系统机械阻抗系数表达式,式中
、
以及
由基准实验直接测量得到,
bl,
为间接测量量,通过代入
、
以及
求解得到。因此,系统机械阻抗系数的绝对误差Δ
bl,
,需要通过Δ
、Δ
以及Δ
的误差传递公式得到。为方便表述,将式(5)简化为
抗N-甲基-D-天冬氨酸受体脑炎29例误诊分析 … …………………………… 李少平，张霖，邓一伦，等 140
bl,
=
(
,
,
)
(17)
根据式(17),系统机械阻抗系数的绝对误差Δ
bl,
可由下式求解得到
(18)
式(10)给出了总阻抗系数表达式,式中的
、
以及
由带压激振实验直接测量得到,
为间接测量量,通过带入
、
以及
求解得到。因此,系统机械阻抗系数的绝对误差Δ
,需要通过Δ
、Δ
以及Δ
的误差传递公式得到。为方便表述,将式(10)简化为
=
(
,
,
)
(19)
根据式(15),系统机械阻抗系数的绝对误差Δ
bl,
可由下式求解得到
(20)
将基准实验时激振力、位移、加速的测量绝对误差代入式(18)中,即可获得系统阻抗系数的绝对误差Δ
bl,
。将带气激振实验时的激振力、位移、加速度的测量绝对误差代入式(20)中,即可获得总阻抗的绝对误差Δ
。将Δ
bl,
和Δ
代入式(16)中,即可获得密封气流激振阻抗的绝对误差Δ
s,
。将Δ
s,
代入式(15)中,即可获得各密封动力特性系数的绝对误差。
2 迷宫密封测量结果
利用搭建的密封转子动力特性实验台,本文开展了迷宫密封泄漏与转子动力特性实验测试。实验测量了两种压比、不同转速下迷宫密封的泄漏量,以及高转速、高压比下实验迷宫密封转子动力特性系数。
实验迷宫密封结构尺寸示意图如图9所示,详细几何结构参数由表3给出。实验密封进口安装预旋环,结构如图10所示,布置有沿转子转速方向倾斜的预旋孔,倾斜角度为60°,预旋环安装在实验台进气管与密封进口之间,实验过程中进气经预旋环产生周向速度,然后再进入实验密封段。
2.1 泄漏量
针对图9所示迷宫密封,开展了两种压比不同转速下的稳态泄漏量测量,并与CFD计算结果进行了比较。压比定义为进口静压与出口静压的比值,实验过程中,出口静压始终保持为大气压,通过调节进口压力改变压比。CFD计算模型与网格如图11所示,计算域包括了进气管道、预旋环以及实验密封流道。CFD数值计算方法参考文献[14],该方法的正确性已得到验证,预测稳态泄漏量具有较高的精确性。
图12给出了不同压比下,实验迷宫密封稳态泄漏量随转速变化曲线,可知随转速增加,实验迷宫密封泄漏量基本保持不变。随压比增加,迷宫密封泄漏量显著增加,压比由3.0增加到4.0,泄漏量增加约36.6%。CFD结果与实验结果幅值接近、趋势一致且始终在实验误差带内。
通读过后，会发现这段对话应答翻译得很巧妙，原文中的否定词“say no”“weren't”在译后都以肯定的表达来体现，譬如说用“多亏了……否则……”，好像如果交了税费就遭受了很大的损失。在译文中，译者并没有直译否定词，而是用肯定词表面上肯定了富人自圆其说的逃税行为，并且把逃税说得理所当然，但是实际上表达了富人们无所不用其极，卑鄙无耻到无以复加[9]。所以,有时候这种小词的翻译，在效果上会产生很大的不同。中外文化有很大的差异，不同的语言表达会产生不同的效果，比如这个例子中的肯定词和否定词，在翻译中需要结合适当的语境，有时候还需要稍做改变，才能翻译出原文中修辞的意义和效果。
2.2 密封动力特性系数
针对图9所示迷宫密封,本文开展了迷宫密封转子动力特性实验测量,并与CFD结果进行了比较。实验进口压力为400 kPa,出口压力为大气压,转速为12 000 r/min,进口预旋速度约为96 m/s,预旋比
约为0.90。
图13给出了实验测量得到的迷宫密封频率相关的转子动力特性系数。实验过程中,由于75 Hz～102 Hz频率段实验台发生较强的共振,因此删除该频率段数据。由图13可知,对实验迷宫密封,直接刚度在低频时为正值,并随频率增加总体呈降低趋势。高频时(>120 Hz),直接刚度逐渐降低为负值;交叉刚度始终为正值,且随频率增加略微增加。由于预旋环以及高的转速,实验密封进口具有高的进口预旋,这是导致实验密封具有较大的正交叉刚度的原因。直接阻尼系数测量结果与CFD均基本不随频率变化;有效阻尼在低频时为负值,随频率增加有效阻尼迅速增加,并在高频范围内(>120 Hz)逐渐趋于稳定。在高转速、高进口预旋条件下(
=12 000 r/min,
=0.94),该实验迷宫密封有效阻尼始终为负值,可能发生转子失稳。
针对实验迷宫密封,频率相关的转子动力特性实验测量结果与CFD计算结果趋势一致,幅值略有差距,最大偏差约25%。考虑到本文搭建的实验台,实验测量进口旋流速度时,仅在预旋腔内测量一个点的预旋速度,而密封进口上游预旋腔内旋流速度是不均匀的。CFD计算过程中,进口给定的是均匀的旋流速度条件,这可能是CFD计算结果偏差的原因。
3 结 论
本文设计搭建了基于谐波激励机械阻抗法的动密封转子动力特性实验台,开展了不同压比下,迷宫密封的稳态泄漏量以及频率相关的转子动力特性系数测量,得到以下结论。
(1)本文设计搭建了基于谐波激励机械阻抗法的动密封转子动力特性实验台。该实验台利用电磁激振器对密封静子件施加
、
两个正交方向的单频/多频谐波激励,同步测量密封静子件的涡动位移、涡动加速度以及所受的激振力等动态信号,可求解获得频率相关的动密封转子动力特性系数。
(2)该实验台能够开展不同运行工况(压比、转速、预旋比和偏心率)、不同密封结构(迷宫、蜂窝/孔型、袋型密封等非接触式动密封)和不同密封间隙下的动密封泄漏量和频率相关转子动力特性实验测量。
本刊讯（本刊记者）日前，由湖南省期刊协会组织的“湖南省第八届双十佳期刊”“湖南省第二届优秀内部资料”评选工作尘埃落定。本刊等16种期刊及20种内部资料分获殊荣。湖南省期刊协会表示，获得“湖南省第八届双十佳期刊”的16种期刊，皆创刊3年以上，坚持正确的政治方向和出版导向，有较好的舆论引导力、市场竞争力和文化传播力，编校质量优秀、装帧设计精美、印装质量良好，在传统媒体与新兴媒体的融合发展、创新发展上有新思路和新成效，在切实履行“举旗帜、聚民心、育新人、兴文化、展形象” 使命任务中作出了积极贡献。
(3)实验台测量得到的迷宫密封转子动力特性系数具有较高的测量精度。转子动力特性实验结果与CFD计算结果趋势一致,幅值略有差距,最大偏差约25%,可能原因是CFD计算进口设置为均匀旋流条件,而实验工况在密封进口周向速度沿径向分布不均匀,为非均匀旋流条件。
:
[1] CHUPP R E, HENDRICKS R C, LATTIME S B, et al. Sealing in turbomachinery [J]. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(2): 313-349.
[2] 曹树谦, 陈予恕. 现代密封转子动力学研究综述 [J]. 工程力学, 2009, 26(S2): 68-79.
CAO Shuqian, CHEN Yushu. A review of modern rotor/seal dynamics [J]. Journal of Engineering Mechanics, 2009, 26(S2): 68-79.
[3] ALFORD J S. Protecting turbomachinery from self-excited rotor whirl [J]. Journal of Engineering for Power, 1965, 87(4): 333-343.
[4] 李军, 晏鑫, 丰镇平, 等. 透平机械阻尼密封技术及其转子动力特性研究进展 [J]. 热力透平, 2009, 38(1): 5-9, 14.
LI Jun, YAN Xin, FENG Zhenping, et al. State-of-the art of turbomachinery damper seals technology and their rotordynamic characteristics [J]. Thermal Turbine, 2009, 38(1): 5-9, 14.
[5] 骆名文, 丁学俊, 祁小波, 等. 大型汽轮机汽流激振研究现状及展望 [J]. 热能动力工程, 2006, 21(6): 551-555, 653.
LUO Mingwen, DING Xuejun, QI Xiaobo, et al. The status quo and prospect concerning a study on steam flow excitations in large-sized steam turbines [J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2006, 21(6): 551-555, 653.
[6] 张学延, 王延博, 张卫军. 超临界压力汽轮机蒸汽激振问题分析及对策 [J]. 中国电力, 2002, 35(12): 1-6.
ZHANG Xueyan, WANG Yanbo, ZHANG Weijun. Analysis and countermeasures of steam-excited vibration of supercritical pressure steam turbine [J]. Electric Power, 2002, 35(12): 1-6.
[7] 张学延, 王延博, 张卫军. 大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理 [J]. 热力发电, 2004, 33(2): 47-55.
ZHANG Xueyan, WANG Yanbo, ZHANG Weijun. Analysis and treatment for problem concerning steam flow exciting vibration on domestic large-scale steam turbines [J]. Thermal Power Generation, 2004, 33(2): 47-55.
[8] 荆建平, 孟光, 赵玫, 等. 超超临界汽轮机汽流激振研究现状与展望 [J]. 汽轮机技术, 2004, 46(6): 405-407, 410.
JING Jianping, MENG Guang, ZHAO Mei, et al. Survey and outlook on the research o of the steam excitation of superior ultra-critical steam turbine [J]. Turbine Technology, 2004, 46(6): 405-407, 410.
[9] NELSON C C. Analysis for leakage and rotordynamic coefficients of surface-roughened tapered annular gas seals [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1984, 106(4): 927-934.
[10]HA T W, CHILDS D W. Annular honeycomb-stator turbulent gas seal analysis using a new friction-factor model based on flat plate tests [J]. Journal of Tribology, 1994, 116(2): 352-359.
[11]晏鑫, 李军, 丰镇平. Bulk Flow方法分析孔型密封转子动力特性的有效性 [J]. 西安交通大学学报, 2009, 43(1): 24-28.
YAN Xin, LI Jun, FENG Zhenping. Validation of two-control-volume bulk flow method for rotordynamic characteristics of hole-pattern seals [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2009, 43(1): 24-28.
[12]晏鑫, 李军, 丰镇平. 孔型气体密封转子的动力特性研究 [J]. 动力工程, 2009, 29(1): 31-35.
YAN Xin, LI Jun, FENG Zhenping. Research on dynamic characteristics of the rotor with annular seal of hole-pattern [J]. Journal of Power Engineering, 2009, 29(1): 31-35.
[13]LI Zhigang, LI Jun, FENG Zhenping. Numerical investigations on the leakage and rotordynamic characteristics of pocket damper seals: part ii effects of partition wall type, partition wall number, and cavity depth [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2014, 137(3): 032504.
[14]CHEN Yaoxing, LI Zhigang, LI Jun, et al. Effects of tooth bending damage on the leakage performance and rotordynamic coefficients of labyrinth seals [J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, 33(4): 1206-1217.
[15]MIGLIORINI P J, UNTAROIU A, WOOD H G. A numerical study on the influence of hole aspect ratio on the performance characteristics of a hole-pattern seal [C]∥ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. New York, NY, USA: ASME, 2014: V07BT32A018.
[16]李志刚, 方志, 李军. 液相和多相环境下环形动密封泄漏流动和转子动力特性的研究进展 [J]. 西安交通大学学报, 2020, 54(9): 1-22.
LI Zhigang, FANG Zhi, LI Jun. Review of the leakage flow and rotordynamic characteristics of the annular dynamic seals in liquid and multiple phases conditions [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2020, 54(9): 1-22.
[17]方志, 李志刚, 李军. 异形孔腔结构对液体孔型密封泄漏特性及转子耗功的影响 [J]. 西安交通大学学报, 2020, 54(1): 143-149.
FANG Zhi, LI Zhigang, LI Jun. Investigations on the effect of Odd-Shaped hole geometries on the leakage performance of liquid hole-pattern seals and rotor power loss [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2020, 54(1): 143-149.
[18]李志刚, 李军, 丰镇平. 进口防旋板对孔型密封非定常气流激振特性的影响 [J]. 西安交通大学学报, 2016, 50(1): 16-21.
LI Zhigang, LI Jun, FENG Zhenping. Effect of swirl brakes on unsteady flow excitation characteristics of hole-pattern seal [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(1): 16-21.
[19]薛文松, 方志, 王天昊, 等. 防旋板结构的迷宫密封转子动力特性研究 [J]. 西安交通大学学报, 2022, 56(3): 105-116.
XUE Wensong, FANG Zhi, WANG Tianhao, et al. Investigations on the rotordynamic characteristics of the labyrinth seal with swirl brakes [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2022, 56(3): 105-116.
[20]ERTAS B H. Rotordynamic force coefficients of pocket damper seals [D]. Austin: Texas A&M University, 2005.
[21]CHILDS D W. Turbomachinery rotordynamics: phenomena, modeling, and analysis [M]. New York, USA: Wiley, 1993.
[22]CHILDS W D, RAMSEY C. Seal-rotordynamic-coefficient test results for a model SSME ATD-HPFTP turbine interstage seal with and without a swirl brake [J]. Journal of Tribology, 1991, 113(1): 198-203.
[23]PUGACHEV A O, DECKNER M. Experimental and theoretical rotordynamic stiffness coefficients for a three-stage brush seal [J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2012, 31: 143-154.
[24]PUGACHEV A O, DECKNER M. Analysis of the experimental and CFD-based theoretical methods for studying rotordynamic characteristics of labyrinth gas seals [C]∥ASME Turbo Expo 2010: Power for Land, Sea, and Air. New York, NY, USA: ASME, 2010: 11-23.
[25]ERTAS B H, DELGADO A, VANNINI G. Rotordynamic force coefficients for three types of annular gas seals with inlet preswirl and high differential pressure ratio [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2012, 134(4): 042503.
[26]VANNINI G, CIONCOLINI S, DEL VESCOVO G, et al. Labyrinth seal and pocket damper seal high pressure rotordynamic test data [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2014, 136(2): 022501.
[27]孙丹, 肖忠会, 王学军, 等. 负错位密封流动特性研究 [J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(12): 3068-3074.
SUN Dan, XIAO Zhonghui, WANG Xuejun, et al. Research on flow characteristics of negative dislocated seal [J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(12): 3068-3074.
[28]王炜哲, 刘应征, 叶春, 等. 迷宫密封转子系统动力学特性的试验测量和数值模拟 [J]. 机械工程学报, 2007, 43(3): 22-27.
WANG Weizhe, LIU Yingzheng, YE Chun, et al. Experimental measurement and numerical simulation of dynamics of labyrinth seal-rotor combination [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(3): 22-27.
