[发明专利]一种偏心自适应调节的密封阻尼减振装置

说明书

技术领域

本发明是一种运用于旋转机械非接触密封的偏心自适应调节阻尼减振装置，主要用于迷宫密封、蜂窝密封和孔型密封等，来抑制密封流体激振，属于振动控制技术领域。

技术背景

密封间隙流体激振是燃气轮机、汽轮机、离心压缩机等叶轮机械普遍存在而不易解决的问题。随着叶轮机械向着高效、稳定、大功率方向的发展，传统密封间隙流体激振的危害日益突出。降低密封间隙的泄漏量，抑制密封间隙的流体激振，确保机组运行的稳定性，已成为现代叶轮机械发展的关键技术之一。

一般认为，产生密封流体激振的因素主要有两个：转子偏心和密封腔流体周向流动。当气流进入密封体时，不仅以很大的轴向速度通过各腔，而且往往还具有很高的入口预旋，并在轴的带动下具有很大的周向速度，所以气流在密封体内是以螺旋的形式向外流动的。另外，由于轴系因制造、安装、偏磨或旋转产生涡动运动等因素而偏心，导致与密封腔在圆周上间隙的不一致，密封腔中的螺旋形流动使周向压力分布的变化与转子和密封腔之间的间隙变化不完全对应，最高压力点滞后密封腔最小间隙一定角度，这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏心方向相垂直的切向力Fτ和一个沿偏心反方向的径向力Fr，该切向力将激励转子产生涡动，当激振力超过一定值时，就会使转子产生强烈的振动。图1是转子密封动力学模型示意图，根据牛顿第三定律，密封静子所受的流体激振力可以分解为切向力Fτ’和Fr’，Fτ’与Fτ、Fr’与Fr方向相反，大小相等。

目前，抑制密封流体激振的方法主要是减小密封腔的周向流动速度，主要分为主动控制和被动控制。主动控制主要有反旋流法(anti-swirl)，即从机体内引出一股高压介质，以与转子转向相反的方向注入到密封腔中，抵消密封腔气流的周向运动，但这种方法缺点是，增加了有效介质的损失和动力能源的浪费，而且计算较为困难，结构复杂，设计难度大。被动控制主要有阻尼密封技术(Damper seal)和阻旋栅(swirl brakes)，阻尼密封是采用粗糙静子面来消耗流体周向流动速度，包括蜂窝密封、孔型密封、袋型密封、锯齿密封、三角形密封、菱窝密封和刷式密封等。其中蜂窝密封和孔型密封的理论相对成熟，在实际中都有很大的运用与发展，其余几种阻尼密封在制造方面和使用性能等方面都存在一些不成熟的地方。Childs在《Test Results for Round-Hole-Pattern Damper Seals:Optimum Configurations and Dimensions for Maximum Net Damping》中对孔型密封进行了研究，实验结果表明所设计的孔型密封的泄漏量是光滑密封的1/3，交叉刚度系数减少20％(Journal ofTribology，1986.108(4)：605-609.)。1985年，美国航天飞机主引擎的高压液氧涡轮泵中，通过把阶梯状迷宫密封(齿在转子上)更换成为恒定间隙的光滑转子面蜂窝密封后消除了转子的同步振动和亚同步振动问题(Childs D W，Moyer D S.Vibration Characteristics ofthe HPOTP(High Pressure Oxygen Turbopump)of the SSME(Space Shuttle Main Engine)[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1985，107(1)：152-159.)。阻旋栅是一种在密封入口沿周向布置的栅板，其结构简单，可以改变密封入口流体方向，有效降低入口预旋，减小密封流体激振力。阻旋栅多用于高压离心压缩机和航空发动机级间密封和口环密封，RDSoghe在《Numerical Characterization ofswirl brakes for high pressure centrifugal compressor》中应用CFD方法建立阻旋栅密封静力特性求解模型，研究了单一形式阻旋栅对迷宫密封泄漏量与流场特性的影响(ASME Turbo Expo 2013:Turbine Technical Conference and Exposition.)。孙丹等在《阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究》中实验研究了无或有阻旋栅共5种密封动力特性，结果表明阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度，增加密封的主阻尼，提高密封的稳定性(航空学报，2015，36(9)：3002-3011.)。