環(huán)形密封和多級轉子系統(tǒng)耦合動力學數(shù)值及實驗研究.pdf

1、在多級離心泵中，由于實現(xiàn)平衡壓力及密封的需要，大量存在如密封口環(huán)、級間密封及平衡鼓等環(huán)形密封隙流道。上述密封流道一方面會造成泄漏，從而降低離心泵效率，另一方面會對離心泵的振動性能造成影響。七十年代，美國航天飛機的高壓油泵轉子曾出現(xiàn)過較大的轉子渦動，導致轉速達不到設計值，在將周向開槽的密封改為光滑環(huán)密封后，振動消失且轉子達到了設計轉速。由此可以看出，無論從提高效率還是安全生產(chǎn)的角度，都很難忽視小間隙流對離心泵性能的影響，并且很有必要把轉子

2、和環(huán)形密封動力學分析結合起來作為轉子設計過程中的關鍵內(nèi)容。
　　本文以考慮環(huán)形密封的多級轉子系統(tǒng)為研究對象，分別針對環(huán)形密封、多級轉子的動力學特性進行研究，設法在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程中考慮環(huán)形密封對轉子性能的影響，并針對研究對象展開一系列試驗研究以驗證數(shù)值方法的可靠性。論文的主要內(nèi)容包括以下五個方面:
　　1、介紹了環(huán)形密封動力學模型的建立過程，分析了若干關鍵密封參數(shù)，包括壁面摩擦因子、入口預旋及入口損失系數(shù)等對環(huán)形密封動力學特性

3、的影響;基于CFD方法建立了環(huán)形密封流道模型并進行了網(wǎng)格無關性驗證，計算了不同內(nèi)壁轉速、進口速度及軸向截面積下環(huán)形間隙入口損失系數(shù)的變化;基于本文實驗測試所用密封參數(shù)建立了環(huán)形密封數(shù)學模型，計算了密封動力特性系數(shù)及密封參數(shù)對其的影響。
　　2、設計并搭建了國內(nèi)首臺環(huán)形密封流體力測試裝置，可用于測試主軸任意偏心及渦動比狀態(tài)下環(huán)形密封流道產(chǎn)生的徑向流體力，研究各種密封形式及參數(shù)對流體作用力的影響等;介紹了該測試裝置的設計思路及運行機理

4、，著重介紹了其渦動調節(jié)原理;計算出測試裝置所用環(huán)形密封的理論流體力，與實驗測試結果進行比較，驗證了環(huán)形密封動力學模型的可靠性。
　　3、為實現(xiàn)利用密封參數(shù)直接預測轉子系統(tǒng)的振動性能，首先對轉子系統(tǒng)進行建模，并以矩陣形式將密封動特性系數(shù)耦合到轉子系統(tǒng)矩陣中，得到考慮密封支撐作用的轉子系統(tǒng)運動方程;通過求解上述方程得到考慮密封支撐的轉子系統(tǒng)臨界轉速及不平衡響應;基于考慮環(huán)形密封的多級轉子動態(tài)響應實驗臺，測得不同密封壓差下多級轉子的臨界

5、轉速，與計算結果進行了對比。
　　4、為研究環(huán)形密封對轉子瞬態(tài)響應的影響，建立單轉子模型并對其可靠性進行實驗驗證;基于湍流潤滑理論建立環(huán)形間隙流動模型并給出三種湍流假設對應的數(shù)值結果，對環(huán)形間隙流道計算模型進行改進;通過對轉子運動方程及湍流潤滑方程分別求解，并在每個時間步內(nèi)判斷環(huán)形間隙的流動狀態(tài)，實現(xiàn)環(huán)形間隙流場與轉子系統(tǒng)的耦合，得到考慮流體力影響的轉子瞬態(tài)響應結果。
　　5、由于多級離心泵中密封支撐位置多且部分密封長徑比較

6、大，使得在傳統(tǒng)轉子動力學分析中被認為對轉子性能影響不明顯的阻尼系數(shù)在轉子系統(tǒng)中所占比重增加;以單轉子及多轉子系統(tǒng)為例，分析了密封阻尼變化時轉子各階固有頻率及響應幅值的變化規(guī)律;針對長徑比這一對密封阻尼有顯著影響的密封參數(shù)，研究了其對轉子系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
　　研究結果顯示，密封流道長徑比增加時各動特性系數(shù)均會增加，其中交叉剛度及主阻尼系數(shù)增幅最為明顯，而密封間隙的增加會明顯降低剛度及阻尼系數(shù)大小，入口預旋增加則會引起交叉剛度和交叉

7、阻尼系數(shù)的增加及主剛度系數(shù)的降低;密封流體力的理論計算結果與測試結果相比偏小，即理論結果會低估密封對轉子系統(tǒng)的支撐作用;采用本文方法計算得到的濕轉子臨界轉速與實驗結果吻合較好，當密封間隙在0.3-0.5mm范圍內(nèi)時，誤差不超過5％;當考慮密封支撐時，轉子系統(tǒng)臨界轉速變化較小但其對應響應幅值大幅減小;瞬態(tài)過程中，啟動加速度的變化對轉子響應幅值及響應峰值出現(xiàn)的時間有明顯影響;密封阻尼的增加會引起轉子臨界轉速及響應幅值的下降，密封流道長徑比增