透平机械中密封气流激振及泄漏的故障自愈调控方法研究

论文摘要

随着现代工业的迅猛发展,透平机械的节能与安全问题越来越受到人们的重视。设备振动超标、叶片断裂、密封泄漏等故障是影响机组安全、长周期运行的关键因素。密封气流激振是造成转子振动大和叶片断裂的重要原因之一,密封失效则通常导致泄漏事故发生。研究透平机械中密封气流激振及泄漏的故障自愈调控方法具有理论和工程应用价值。本论文的主要工作如下:1、提出了一种计算直通型蜂窝密封动力特性系数的方法。该方法借助单控制体模型得到控制方程,将扰动变量引入控制方程得到零阶和一阶方程,最终由压力分布表达式推导出动力特性系数。通过简化一阶方程解的表达式、引入拉式变换和泰勒展开等数学手段极大地简化了计算,提高了计算速度。使用本方法计算的动力特性系数结果与测量值量级相同。在分析体现蜂窝密封对转子稳定性总体影响的有效阻尼时,采用本方法得到的计算结果与测量值非常接近。计算实例表明,应用本文所述方法所得计算结果可以用于定量地说明蜂窝密封的减振效果。采用本方法计算的蜂窝密封动力特性参数,可以用于分析蜂窝密封的刚度、阻尼系数对转子稳定性的影响,对调控密封气流激振和泄漏具有重要意义。2、针对叶片疲劳断裂问题,实验研究了蜂窝密封调控叶片密封气流激振的特性。将叶项密封分别采用光滑密封和蜂窝密封,测量不同密封间隙下的叶片振幅。实验结果表明采用蜂窝密封能够明显抑制叶片密封气流激振,叶片振幅随密封间隙的增大而减小。与光滑密封相比,蜂窝密封最佳可减小实验中无冠叶片测量点振幅的25%。采用烟线法显示了叶尖密封尾流场,同时绘制了流场的速度分布图。对蜂窝密封调控密封气流激振的机理进行了分析,蜂窝密封能够降低密封腔内流体速度、耗散流体能量,从而流体对叶片的密封气流激振力减弱、叶片振动得到有效的调控。蜂窝密封是一种调控密封气流激振的有效方法,可以从叶片振动产生的根源上实现叶片断裂故障自愈调控。3、提出采用蜂窝密封和反旋流组合调控叶片密封气流激振,并实验研究了其特性。在不同密封间隙、不同带冠叶片条件下,分别采用蜂窝密封和光滑密封,沿与主气流相反的方向向叶片顶部密封间隙内喷射气流。实验结果显示采用光滑密封时施加反旋流最佳能够使实验中叶片测量点的振动减小17%,而采用蜂窝密封时施加反旋流最佳能够使实验中叶片测量点的振动减小14%。与光滑密封相比,采用蜂窝密封和反旋流组合最佳能够使实验中叶片测量点的振动减小37%。因此采用结构合理的蜂窝密封和增加适量的反旋流是调控密封气流激振的有效方法,对预防和消除叶片断裂、实现叶片断裂故障的自愈调控具有重要意义。4、提出用抽取气流的方法来调控叶片密封气流激振并进行了实验研究。从叶片顶部抽取适量气流能减小实验中叶片测量点的振幅10%以上;对于无冠叶片,当抽气口采用正倾角时抽取气流抑制叶片振动的能力比采用负倾角时大;对于带冠叶片,抽取气流抑制叶片振动效果更好,最佳减振能力可达23%,且叶冠宽度较大时减振效果更稳定。本文还系统地研究了不同喷射角度的射流调控叶片密封气流激振的特性,分析了利用喷射气流方法调控叶片密封气流激振的规律。当倾角小于30°时,在叶片顶部喷射气流加剧叶片振动;当倾角大于40°时,叶片振动随喷气压力的增大而减小,实验中叶片测量点的最小振幅仅为初始振幅的81%。5、研究了汽轮机密封泄漏及水蚀故障的自愈调控方法,设计了适用于汽轮机的新型蜂窝密封结构。通过在叶顶蜂窝密封底板上增设环形去湿输水槽,排出了汽轮机低压缸中的小水滴,实现了叶片水蚀故障的自愈。设计了新型蜂窝密封结构,结合了蜂窝密封和梳齿密封的特点,消除了轴端密封泄漏故障产生的原因,成功地解决了小型汽轮机轴端密封泄漏问题。同时,新型轴端蜂窝密封结构还可以推广应用到烟机的烟气密封、蒸汽密封和轴承箱密封。6、研究了大型电机油封泄漏故障的自愈调控方法,设计了可调式自动跟踪和蜂窝复合油封。电机润滑油向内部泄漏的主要原因是风叶转动引起电机内部形成的负压和密封失效。为了隔离负压,采用了蜂窝密封和接触式密封的组合形式,并且在两者之间通入一定的氮气。采用压力平衡方法和蜂窝密封消除了导致油封泄漏的根本原因。用可调式自动跟踪密封替代传统的毛毡密封,更耐磨损、更耐老化。在设计阶段就消除了密封泄漏故障产生的原因,且可调式自动跟踪密封在较长时间内具有自修复功能。工程应用表明,可调式自动跟踪和蜂窝复合油封成功解决了油封泄漏问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 前人研究工作综述
• 1.2.1 装备故障自愈调控技术
• 1.2.2 透平机械中的密封气流激振和泄漏故障
• 1.2.3 密封气流激振的机理研究
• 1.2.4 密封气流激振的自愈调控方法
• 1.2.5 汽轮机叶片失效分析
• 1.2.6 叶片保护技术
• 1.2.7 蜂窝密封技术
• 1.2.8 阻尼密封技术
• 1.2.9 其它密封技术
• 1.2.10 反旋流技术
• 1.2.11 合成射流技术
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本文的创新点
• 第二章 蜂窝密封动力特性的计算方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 计算方法理论分析
• 2.3 计算步骤
• 2.3.1 结构参数
• 2.3.2 参数的无量纲化
• 2.3.3 摩擦因子模型
• 2.3.4 控制方程
• 2.3.5 扰动变量的引入
• 2.3.6 零阶方程的求解结果
• 2.3.7 一阶方程的求解
• 2.4 算例及结果分析
• 2.4.1 实验数据
• 2.4.2 计算结果及分析
• 2.4.3 误差分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 蜂窝密封调控叶片密封气流激振的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 叶片振动实验
• 3.2.1 叶片振动实验装置
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验步骤
• 3.3 蜂窝密封调控密封气流激振的性能
• 3.3.1 蜂窝密封与光滑密封的对比
• 3.3.2 密封间隙的影响
• 3.3.3 芯格深度的影响
• 3.3.4 带冠叶片的影响
• 3.4 尾流场实验
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 实验设备
• 3.4.3 实验步骤
• 3.5 蜂窝密封调控叶片振动机理的研究
• 3.6 密封尾流场的细观分析
• 3.6.1 尾流场的可视化
• 3.6.2 尾流场的速度分布图
• 3.7 本章小结
• 第四章 蜂窝密封和反旋流组合调控叶片密封气流激振的实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 反旋流调控对叶片振动的影响
• 4.3.2 蜂窝密封和反旋流组合调控对叶片振动的影响
• 4.3.3 实验结果的对比与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 顶部喷射或抽取气流调控叶片密封气流激振的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验装置
• 5.2.2 实验设备
• 5.2.3 实验步骤
• 5.3 顶部抽取气流调控叶片振动的效果
• 5.4 顶部气流喷射调控叶片振动的效果
• 5.4.1 顶部气流喷射调控无冠叶片振动的效果
• 5.4.2 顶部气流喷射调控带冠叶片振动的效果
• 5.4.3 叶冠宽度对顶部气流喷射调控叶片振动效果的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 汽轮机密封泄漏及水蚀故障的自愈方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 汽轮机叶片水蚀故障的背景
• 6.3 叶顶蜂窝密封除湿方法研究
• 6.3.1 叶顶蜂窝密封除湿方法的原理
• 6.3.2 叶顶蜂窝密封改造方案及效果
• 6.4 汽轮机轴端密封泄漏故障的背景
• 6.5 新型轴端蜂窝密封结构研究
• 6.5.1 传统的轴端密封结构
• 6.5.2 改造采用的技术原则
• 6.5.3 新型轴端蜂窝密封结构
• 6.5.4 工程改造的效果
• 6.6 新型轴端蜂窝密封结构在烟机中的推广
• 6.6.1 烟机泄漏故障的背景
• 6.6.2 设计方案和改造效果
• 6.7 本章小结
• 第七章 大型电机油封泄漏故障的自愈方法研究
• 7.1 引言
• 7.2 大型电机油封泄漏的背景和原因分析
• 7.3 新型油封设计
• 7.4 新型油封的特点
• 7.5 改造效果
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 论文的主要结论
• 8.2 对于本课题研究的展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学 博士研究生学位论文答辩委员会决议书