提出新型浮动式收敛袋型密封结构,建立新型收敛袋型密封与传统迷宫密封多频椭圆涡动动力特性求解模型,研究转速、进出口压比及偏心率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封浮动同心力的影响,对比分析涡动频率对新型收敛袋型密封与传统迷宫密封动力特性系数的影响,基于有效刚度系数定量分析浮动密封的自适应同心性能。研究结果表明:随着转速、进出口压比、偏心率的增加,新型收敛袋型密封产生的浮动同心力增大;相同工况下,新型收敛袋型密封的浮动同心力大于传统迷宫密封的;随着转子涡动频率的增加,传统迷宫密封的有效刚度系数减小,新型收敛袋型密封的有效刚度系数增大,同一涡动频率下,新型收敛袋型密封的有效刚度系数大于传统迷宫密封的。新型浮动式收敛袋型密封具有良好的自适应同心性能。

为研究进口预旋对迷宫齿磨损形态下密封非定常气流激振转子动力特性系数的影响,采用基于转子多频椭圆涡动模型的URANS方程求解方法,计算分析了2种进口预旋比下未磨损结构、未弯曲磨损结构和部分弯曲磨损结构下密封泄漏质量流量、气流平均周向速度和转子动力特性系数的变化。结果表明:在2种进口预旋比下,增加磨损间隙和迷宫齿弯曲均会使密封泄漏质量流量增大;当进口预旋比为0时,密封泄漏质量流量增大使得转子周向拖动作用降低,腔室内气流平均周向速度减小,进而导致与转子涡动方向相反的负切向气流激振力减小,密封转子稳定性降低;当进口预旋比为0.45时,气流平均周向速度不受迷宫齿磨损结构的影响,因此迷宫齿磨损后腔室内周向动量增大,进而与转子涡动方向相同的正切向气流激振力增大,密封转子稳定性降低。

面向某型船用燃气轮机动力涡轮转子,建立了悬臂盘-空心转子的动力学模型并求解其临界转速及振型,探讨了影响临界转速的因素,重点揭示了级间与叶顶迷宫密封对转子稳定性的影响规律,结果表明:迷宫密封对悬臂盘-空心转子的临界转速及振型的影响较小,但迷宫密封引起的气流激振会影响转子的稳定性。通过将迷宫密封改为蜂窝密封或减小迷宫密封进口预旋,都可以提高密封的有效阻尼,进而增强转子稳定性。

搭建并优化了密封动力特性系数实验识别装置,应用阻抗法对梳齿密封动力特性系数开展实验识别,研究转速、进口压力和涡动频率对密封动力特性系数的影响。应用基于微元理论的密封动力特性系数识别方法对密封动力学特性进行了数值计算分析,与实验结果进行对比分析。结果表明实验识别梳齿密封动力特性系数整体上略高于数值计算结果,但趋势上吻合良好,特别是表征系统稳定性的密封有效阻尼系数,数值与实验具有良好的一致性。梳齿密封动力特性系数在转子低频(<;100 Hz)涡动时存在一定的频率依赖性,高频(>100 Hz)时阻尼系数的频率依赖性较弱。实验和数值模拟均表明,相较于转速,压比的变化对密封有效阻尼系数的影响更大。

设计搭建密封动力特性实验识别装置,基于阻抗法对交错式迷宫密封动力特性系数开展实验识别,并与数值计算结果进行对比。结果表明数值计算的结果整体上略小于实验识别的交错式密封动力特性系数,但随涡动频率变化趋势上具有良好吻合性,应用阻抗法可有效识别密封动力特性。实验与数值计算所得交错式迷宫密封直接刚度系数恒为负值,存在静态不稳定问题;有效阻尼在低频时为负值,其绝对值同进口压力及转速正相关,中高频激励时转为正值,随涡动频率变化较为稳定。

利朋CFD有限元软件Fluent计算迷宫密封三维流场，提出一种计算密封动力特性系数的方法，并研究了偏心率、入口预旋、涡动速度对转子密封动力特性的影响。计算结果表明：入口预旋是产生交叉刚度的主要原因，入口预旋越大交叉刚度越大；主刚度和交叉阻尼与偏心率的关系基本上是线性的，而交叉刚度和主阻尼随偏心率变化呈现明显的非线性。交叉刚度和主阻尼是影响密封转子系统稳定性的重要因素。