反预旋密封动力特性实验研究.pdf

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反预旋密封动力特性实验研究反预旋密封动力特性实验研究沈鼓研究院沈鼓研究院沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学孙丹孙丹辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学论文内容论文内容1.引言引言2.密封动力特性实验识别方法密封动力特性实验识别方法2.1气缸阻抗函数矩阵测定2.2密封动力特性系数识别3.实验装置实验装置3.1阻旋栅密封动力特性实验装置3.2反旋流密封动力特性实验装置4.密封动力特性实验结果分析密封动力特性实验结果分析4.1阻旋栅密封动力特性实验结果分析4.1.1转速对阻旋栅密封动力特性的影响4.1.2进出口压比对阻旋栅密封动力特性影响分析4.2反旋流密封动力特性实验结果分析4.2.1转速对反旋流密封动力特性的影响4.2.2进出口压比对反旋流密封动力特性影响分析5.结论结论6.本课题组研究基础本课题组研究基础沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学1.1.引言引言反吹孔反吹孔密封结构是压缩机中的关键部件。

在大型离心压缩机中，迷宫密封根据安装位置不同主要分为口圈密封、平衡盘密封、级间密封、轴端密封。

研究表明，进气预旋产生的交叉刚度是引起密封失稳的主要原因。

为提高密封稳定性，研究者们提出了抑制气流激振的反预旋密封。

阻旋栅密封实物图阻旋栅密封实物图反旋流密封结构图反旋流密封结构图压缩机密封结构示意图压缩机密封结构示意图沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学2.2.密封动力特性实验识别方法密封动力特性实验识别方法Childs密封动力特性试验方法密封动力特性试验方法Childs单点激励模型单点激励模型在气缸中部施加激振力，气缸运动方程为在气缸中部施加激振力，气缸运动方程为：

=yxffyxmm式中式中mm为气缸质量。

在频率为为气缸质量。

在频率为的谐波激励作用下，的谐波激励作用下，itxXe=ityYe=itxxfFe=ityyfFe=令令，代入上式得代入上式得（）FyxZHFFYXmm=22该模型没有考虑气缸偏摆以及垂直该模型没有考虑气缸偏摆以及垂直/水平方向上振动耦合水平方向上振动耦合。

此外此外，因试验台进气因试验台进气压力普遍较低压力普遍较低，气流力较小气流力较小，上述模型识别误差较大上述模型识别误差较大。

沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学2.2.实验方法实验方法+=+=2121yyyxxxFFFFFF密封动力特性系数识别密封动力特性系数识别考虑到气缸偏摆的影响，气缸所受的总的水平和垂直方向气流力由两端气流力合成得到：

考虑到气缸偏摆的影响，气缸所受的总的水平和垂直方向气流力由两端气流力合成得到：

密封转子系统的动力学方程可以写成：

密封转子系统的动力学方程可以写成：

=rryyyxxyxxyxYXHHHHFF式中，式中，mnmnmnHkic=+=IIyIIxIyIxIIrIIrIIrIIrIrIrIrIryyyxxyxxFFFFYXYXYXYXHHHH,1,00000000经过推导，可以得到：

经过推导，可以得到：

测量得到两次平衡状态下气缸两端垂直测量得到两次平衡状态下气缸两端垂直/水平方向的等效气流力和相对振动，即可求得动水平方向的等效气流力和相对振动，即可求得动力特性系数矩阵力特性系数矩阵。

对。

对Hmn分别取实部和虚部即得到对应的刚度系数分别取实部和虚部即得到对应的刚度系数Kmn和阻尼系数和阻尼系数Cmn。

HmnFFy1y2Y1Y2X1X2Fx1Fx2abcd气流力等效模型及气缸动态模型气流力等效模型及气缸动态模型沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学2.2.实验方法实验方法气缸阻抗函数矩阵测定气缸阻抗函数矩阵测定FFy1y2Y1Y2X1X2Fx1Fx2abcd多级密封内的气流力可以等效到气缸两端垂直多级密封内的气流力可以等效到气缸两端垂直和水平方向上和水平方向上。

在微幅激振下在微幅激振下，气缸两端水平气缸两端水平/垂直垂直振动与力的关系可以写成：

振动与力的关系可以写成：

气流力等效模型及气缸动态模型气流力等效模型及气缸动态模型XY水平激振水平激振垂直激振垂直激振阻抗函数测试方法示意图阻抗函数测试方法示意图1111213141121222324123132333412414243442xyxyFZZZZXFZZZZYFZZZZXFZZZZY=CylinderRotorShakerShakerShakerShakerProximitorProximitorVelocitysensorKeyphasortransducerPlanePlaneY1-directionY2-directionX1-directionX2-directionVelocitysensor沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学2.2.本文实验识别方法本文实验识别方法实验开始实验开始检查调整密封检查调整密封间隙间隙，防止出防止出现摩擦现摩擦。

升速升速，分析判分析判断有无摩擦断有无摩擦。

是否有摩擦是否有摩擦？

气缸两侧垂直水平气缸两侧垂直水平激振激振，得到阻抗函得到阻抗函数矩阵数矩阵测量气缸两端垂测量气缸两端垂直水平向绝对振直水平向绝对振动和相对振动动和相对振动由已知阻抗函数计由已知阻抗函数计算气缸两侧垂直和算气缸两侧垂直和水平等效气流力水平等效气流力多组压力多组压力是否测完是否测完？

通过动力特性识别通过动力特性识别模型求解动力特性模型求解动力特性系数系数结束结束是是否否否否否否是是是是多组转速多组转速是否测完是否测完？

多组不平衡多组不平衡是否测定是否测定？

调整转子调整转子不平衡不平衡否否合理选取两组合理选取两组不平衡工况下不平衡工况下的数据的数据是是IIIIII动力特性实验识别流程图动力特性实验识别流程图沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学3.3.实验装置实验装置供气系统密封实验台实物图密封实验台结构示意图沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学轴振轴振1测点测点轴振轴振2测点测点相对振动相对振动1测点测点相对振动相对振动2测点测点气缸绝对振动气缸绝对振动1测点测点气缸绝对振动气缸绝对振动2测点测点键相信号测点键相信号测点键槽键槽压缩机阀门入口流量计入口阀门组入口总阀密封实验气缸电机齿轮箱储气罐压力表排出气排出气密封系统弹性支撑系统系统测试系统供气系统转子系统3.3.实验装置实验装置沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学3.3.反预旋密封实验装置反预旋密封实验装置连接进气管连接进气管阻旋栅密封阻旋栅密封阻旋栅密封安装方式阻旋栅密封安装方式阻旋栅密封进气方式阻旋栅密封进气方式反旋流密封安装方式反旋流密封安装方式反旋流进气反旋流进气密封入口进气密封入口进气反旋流密封进气方式反旋流密封进气方式沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学4.4.密封动力特性实验结果分析密封动力特性实验结果分析1500200025003000-12-10-8-6-4-2x104转速/rpm直接刚度/（N.m-1）无阻旋栅有阻旋栅（20）有阻旋栅（30）有阻旋栅（40）长阻旋栅（40）1500200025003000-50510x104转速/rpm交叉刚度/（N.m-1）1500200025003000150200250300350转速/rpm直接阻尼/（N.s.m-1）150020002500300080100120140160180转速/rpm交叉阻尼/（N.s.m-1）23456-12-10-8-6-4x104进出口压比直接刚度/（N.m-1）无阻旋栅有阻旋栅（20）有阻旋栅（30）有阻旋栅（40）长阻旋栅（40）23456-50510x104进出口压比交叉刚度/（N.m-1）23456150200250300350进出口压比直接阻尼/（N.s.m-1）2345650100150200进出口压比交叉阻尼/（N.s.m-1）刚度系数刚度系数阻尼系数阻尼系数转速对阻旋栅密封动力特性影响转速对阻旋栅密封动力特性影响刚度系数刚度系数阻尼系数阻尼系数进出口压比对阻旋栅密封动力特性影响进出口压比对阻旋栅密封动力特性影响沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学15002000250030001.522.533.5x105转速（rpm）直接刚度Kxx（N/m）1500200025003000051015x104转速（rpm）交叉刚度Kxy（N/m）无反旋流反旋流（612）反旋流（614）反旋流（812）1500200025003000350400450500550转速（rpm）主阻尼Cxx（N.s/m）1500200025003000100200300400转速（rpm）交叉阻尼Cxy（N.s/m）无反旋流反旋流（612）反旋流（614）反旋流（812）转速对反旋流密封动力特性影响转速对反旋流密封动力特性影响55.566.5711.522.533.5x105进出口压比直接刚度Kxx（N/m）55.566.57051015x104进出口压比交叉刚度Kxy（N/m）无反旋流反旋流（612）反旋流（614）反旋流（812）55.566.57400450500550进出口压比主阻尼Cxx（N.s/m）55.566.57200300400进出口压比交叉阻尼Cxy（N.s/m）无反旋流反旋流（612）反旋流（614）反旋流（812）刚度系数刚度系数阻尼系数阻尼系数进出口压比对反旋流密封动力特性影响进出口压比对反旋流密封动力特性影响4.4.密封动力特性实验结果分析密封动力特性实验结果分析刚度系数刚度系数阻尼系数阻尼系数沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学5.5.结论结论

（1）随着转速及进出口压比的增大，密封刚度系数及阻尼系数的绝对值均增大；

（2）预旋是产生交叉刚度的主要原因。

反预旋可有效降低密封交叉刚度系数，增加直接阻尼系数，增强密封稳定性。

沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学6.6.本课题组研究基础本课题组研究基础

（1）新型密封结构研究）新型密封结构研究

（2）密封静力与动力特性数值计算）密封静力与动力特性数值计算（3）密封静力与动力特性实验研究）密封静力与动力特性实验研究沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学新型密封结构

（一）：

可倾式密封气缸转子可倾气封气缸转子可倾气封块可倾气封座限位螺栓锁紧弹簧插销B-B转子可倾密封块可倾气封座限位螺柱插销gh可倾式密封结构图可倾式密封结构图可倾式密封可倾式密封可倾式密封安装示意图可倾式密封安装示意图沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学1密封套；2调节螺钉；3环形密封齿；4气流出口；5转子；6气流入口；7调节板；8密封盘；9密封腔径向环形密封径向环形密封（环形密封沿径向布置环形密封沿径向布置，气体气体泄漏方向由轴向改为径向泄漏方向由轴向改为径向）11、减小泄漏量减小泄漏量；22、间隙自适应调整间隙自适应调整；33、耐磨性预计较好耐磨性预计较好。

增效增效减振减振阻断螺旋形流动效应阻断螺旋形流动效应，减小气流激振力减小气流激振力；新型密封结构

（二）：

径向环形密封径向环形密封结构图径向环形密封结构图径向环形密封轴向剖面速度矢量图径向环形密封轴向剖面速度矢量图沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学新型密封结构（三）：

负错位密封O收敛区收敛区收敛区收敛区转子密封ORRrO1O2O发散区发散区发散区发散区转子密封ORRrO1O2正错位正错位负错位负错位负错位密封负错位密封（本课题组新提出本课题组新提出）将密封周向由圆形改为交错形式。

密封周向间隙形成发散的楔形流场间隙，不具备形成流体动压的条件，消除密封流体动压效应，抑制密封气流激振力。

密封周向的交错结构增加了流体周向流动的阻力，降低密封气流周向流速，可减小密封螺旋形流动效应，抑制抑制密封气流激振力。

降低流体动压效应降低螺旋形流动效应转子错位密封转子密封圆形密封圆形密封新型负错位密封结构设计图新型负错位密封结构设计图沈阳航空航天大学沈阳航空航天大学入口出口瓦块6瓦块1瓦块2瓦块3瓦块4瓦块5CFD数值分析静力特性分析动力特性分析压力分布特性泄漏特性稳态方法瞬态方法小扰动法旋转坐标系法动网格法圆轨迹法椭圆轨迹法压力出口压力出口周期性周期性边界条件边界条件压力进口压力进口（反