新型围带微型叶栅抑制叶顶间隙流体激振理论与试验研究

With the improvement of the working medium parameters in turbines, the fluid induced vibration in the tip clearance has become one of the most important factors that influence the rotor stability. The improved working medium parameters intensify the circumferential flow of the fluid and increase the fluid induced vibration in the tip clearance. The project presents a new kind of micro shroud cascade which changes the fluid preswirl and weakens the circumferential flow, as well as it reduces the fluid induced force and flow losses. In the project, the theoretical analysis and experimental research will be carried out to investigate the mechanism of the fluid induced vibration suppression in the tip clearance of the new kind of micro shroud cascade. Computational fluid dynamics method is applied to set up the solution models of the static and dynamic characteristics of the new structure. Multipoint excitation method is applied to identify the fluid force and dynamic coefficients. Take the cylinder and rotor as research objects respectively, the logarithmic decrement of the cylinder and the rotor synchronous/subsynchronous vibration are measured. Based on the numerical computation and experimental research, the mechanism of the fluid induced vibration suppression in the tip clearance of the micro shroud cascade is clarified, as well as the influence law of the micro shroud cascade on the flow losses in the tip clearance and the system stability is obtained. The project proposes a new kind of blade tip structure, and it provides a new method for the improvement of the destabilization resistance ability of the blade tip structure.

随着透平机械工作介质向高参数方向发展，叶顶间隙流体激振成为影响透平机械转子稳定性的重要因素之一。介质参数提高后，流体周向流动加强，叶顶间隙流体激振力增大。本项目提出一种新型围带微型叶栅结构，可改变流体预旋，降低流体周向流动效应，抑制叶顶间隙流体激振力，减小流动损失。本项目拟从理论分析和实验研究两方面对新型围带微型叶栅抑制叶顶间隙流体激振机理进行深入研究，应用计算流体力学方法建立新型结构静力与动力特性求解模型，应用多测点激励方法实验识别气流力及动力特性系数，分别以气缸和转子为对象测试气缸对数衰减率和转子同步/次同步振动，在数值计算与实验研究基础上，阐明围带微型叶栅抑制叶顶间隙流体激振机理，获取围带微型叶栅对叶顶间隙流体流动损失及系统稳定性影响规律。本项目提出一种新型叶顶结构，为提高叶顶抗失稳能力提供新方法。

叶顶间隙流体激振已成为现代大型透平机械向高参数、大容量发展的主要瓶颈之一，如何有效解决流体激振问题是目前研究的热点和难点。本项目首先建立了叶顶密封流体激振流体动力学模型，研究了预旋、偏心、压比、工质、动静几何、变工况、部分进汽等条件下流体激振力特性，研究表明随转子转速、进出口压力比和偏心率的增大，传统梳齿密封涡动系数越来越大，转子越容易失稳，其中偏心率对转子稳定性的影响更为显著。采用有效压比往往更能真实反映预旋与流量对气流力的影响。叶顶（短）密封内转速将导致产生较小的切向力，而进口预旋对切向力大小起决定作用。偏心的存在对密封性能会产生不利影响，较大的转子倾斜角度有利于密封静态性能的提高，然而对系统稳定性会产生不利影响。由传统空气工质变为水蒸汽时，密封质量流量较空气急剧增大，且增加了惯性项，由于交叉刚度系数的增大和直接阻尼系数的减小会导致系统稳定性下降，对于大型机组更需要考虑工质类型与参数对系统稳定性的影响。对新型叶栅下密封内流体流动特性开展了研究，研究了部分/全周进汽下具有围带新型叶栅的叶顶密封流体激振特性，分别对稳态/非稳态、偏心等工况下流体激振力特性开展理论计算分析，研究表明微型叶栅能有效改善密封入口流动特性，部分能量转化为轮周功，减小了流体周向流动，降低了螺旋形流动效应，有效减小了流体激振力。设计搭建透平机械流体激振实验平台，研究了不同工况下光滑环形密封和梳齿密封静态稳定性，计算分析了偏心密封内压力、速度及马赫数分布特性，分析了传统Lomakin效应、惯性力及粘性力对密封静态不稳定性的影响规律。提出新型基于微元轨迹的密封动力特性系数理论识别方法，结合瞬态涡动轨迹与动网格方法，得到转子在不同涡动频率下特定位置处所受气流力，采用微元理论求得密封动力特性系数。本项目提出新型围带微型叶栅，并开展理论与实验研究，为提高叶顶密封抗失稳与增效能力提供了新途径。