旋转阻尼密封内非定常气流激振作用下的密封转子动力特性和阻尼机理研究

Detailed experimental measurements and numerical analysis are conducted to investigate the rotordynamic characteristics and damping mechanisms of rotating damper seals with unsteady leakage flow and fluid excitation. Based on the rotor multi-frequency whirling model, dynamic mesh technique, fast Fourier transform technique and transient numerical method for Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, a new mathematical model and transient numerical solution method are proposed for predictions of rotordynamic characteristics of rotating damper seals. A multi-parameter experiment measurement system is established for the dynamic pressures in tiny cavities, fluid excitation forces and rotordynamic coefficients of rotating damper seals. This measurement system is based on the dynamic pressure response testing method. The influences of operational conditions (pressure ratio, rotational speed and inlet preswirl) and geometrical parameters (sealing clearance, seal cavity structure and the ratio of length to diameter ) on the performance parameters of rotating damper seals, such as transient leakage flow field, dynamic cavity pressure, fluid excitation force and rotordynamic coefficients, are studied. The occurrence and development rules, interaction mechanisms of the transient leakage flow, dynamic pressure fluctuation and fluid excitation in rotating damper seals are illustrated and discussed. The damping mechanisms of rotating damper seals are revealed. An overall performance optimization system is established to optimize the geometry parameters of rotating damper seals. This research project can provide theoretical basis and technical support for future developments and applications of high-performance advanced rotating damper seals.

对旋转阻尼密封内非定常泄漏流动和气流激振作用下的转子动力特性和阻尼机理开展详细的实验测量和数值分析。提出基于转子多频涡动模型、动网格技术、快速傅里叶变换技术和RANS方程非定常求解方法的旋转阻尼密封转子动力特性研究的数学模型和数值方法，建立基于腔室动态压力响应法的旋转阻尼密封微小腔室动态压力、气流激振力和转子动力特性系数的多参数实验测量系统。系统研究运行工况（压比、转速、进口预旋）和几何参数（密封间隙、腔室结构、长径比）对旋转阻尼密封内非定常泄漏流场细节、微小腔室动态压力、气流激振力和密封转子动力特性系数的影响规律。阐明转子偏心涡动时旋转阻尼密封内非定常泄漏、动态压力波动和气流激振的发生、发展规律和相互作用机制，揭示旋转阻尼密封的阻尼机理。建立旋转阻尼密封综合性能优化体系，对密封几何参数进行优化设计。为高性能旋转阻尼密封的研发和应用提供理论基础和技术支撑。

作为现代透平机械中的关键部件，先进旋转密封技术的研发和应用已成为进一步提高透平机械的能量转换效率的最有效、最经济的途径之一，但旋转密封内非定常气流激振诱发的轴系失稳问题日益突出，成为制约其发展和应用的瓶颈。本项目以迷宫密封、孔型阻尼密封和袋型阻尼密封等在透平机械中广泛应用的旋转密封为研究对象，针对与透平机械运行效率和轴系稳定性密切相关的旋转密封内非定常泄漏流动特性和气流激振动力特性，开展了深入研究。研究从旋转阻尼密封转子涡动与密封腔内物理场的耦合时空演化机制、密封运行工况和几何参数的影响规律，以及密封结构优化和增稳抑振设计理论三个方面展开。建立了三种转子涡动轨迹模型（直线轨迹、圆轨迹、椭圆轨迹），并结合傅里叶级数理论，首次提出了旋转密封转子多频涡动模型。建立了基于动网格技术的旋转密封转子动力特性全三维非定常CFD数值研究平台，包括转子多频涡动位移的三种数学模型（直线涡动轨迹模型、圆涡动轨迹模型和椭圆涡动轨迹模型）、非定常流体激振力的CFD求解方法和转子动力特性系数的频域提取方法，并实验验证了数值方法的准确性，建立了转子涡动模型参数选取原则。同时，系统研究了运行工况（压比、转速、进口预旋、涡动频率）和密封几何参数（间隙、腔室结构、密封齿数）对旋转密封泄漏特性和转子动力特性的影响规律，揭示了旋转阻尼密封的阻尼机理，阐明了密封气流激振诱发转子失稳的内在机制，并提出了旋转密封结构优化方法和几何参数选取原则。此外，构思设计了双自由度对称支撑旋转密封振动实验台，建立了基于谐波激励机械阻抗法的旋转密封气流激振动力特性系数的实验识别方法。在上述研究基础上，提出了“反旋流”旋转密封增稳抑振方法，达到了减小交叉刚度和增大阻尼等目标。研究工作在旋转密封的性能分析方法、结构优化创新和增稳抑振等方面取得了一定的突破，为高性能旋转密封的研发和应用提供了理论基础和技术支撑。