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摘要 密封腔吸水及可控吸气的减振实验研究 摘要 目前，透平机械已广泛应用在国民生产的很多复杂领域，其运行的安 全性和稳定性也日益成为重要的攻关难题。其中，流体激振是造成叶轮振 动和叶片断裂失效的重要因素之一。根据人们长期研究的流体激振机理， 以及各种成功运用于实际的解决密封激振的方法，本文对目前最新的吸气 减振技术进行了一些改进。论文的具体内容如下： 1 、根据吸气调控汽轮机叶轮密封气流激振的方法，提出在水轮机止 漏环的迷宫密封中运用该方法，以达到降低密封激振的目的。因此，首先， 分析了水轮机止漏环中密封激振的主要原因是由于迷宫中密封间隙不均 造成的；其次，根据水轮机的特殊性和复杂性，本文对水轮机密封结构进 行了简化处理，并且根据简化搭建实验台；再次，根据吸气机理和实验台 情况，选择在密封最小间隙的上下游安置吸水装置，对比其振动情况，证 明在最小密封间隙的上游吸水能够有效的降低转子振动。 2 、在反旋流理论中，合适的反旋流量可以有效的抑制汽流激振，但 是旋流气量的控制一直是个难点，如果喷射的汽流太少，则不能起到有效 的减振效果，如果太多，反而可能会激起更大振动。因此，本文根据此机 理，在自主建立叶片振动实验装置中，提出了新型的闭环吸气减振自动控 制系统。改进后的系统基于先进的l a b v i e w 编程软件，实现对实验设备的 闭环控制。通过测量叶片振动值的大小自动调节吸气阀门的开度来控制吸 北京化工大学硕士学位论文 气量。控制程序分为三档对应阀门的三个开度，当振动值超过每一档的门 槛值，阀门到达指定的开度，以达到最佳减振效果。实验数据表明，在合 适吸气量的调节下，不同档位皆能使叶片振动减少3 0 左右，如果配合着 蜂窝密封共同使用，减振幅度能够达到4 0 左右。并且发现吸气减振的技 术相对反旋流减振技术有着更好的稳定性。 关键词：流体激振，反旋流，混流式水轮机，止漏环，吸气，自动控制， 蜂窝密封 n a b s t r a c t t h ev i b r a t i o ns u p p r e s s i o ns t u d yo fw a t e rp u m p i n ga n d a u t o m a t i cc o n t r o l l a b l ea i rp u m p i n gi ns e a l i n gc a v i t y a b s t r a c t t h et u r b i n em a c h i n e r yh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi nag r e a tm a n yf i e l d s o ft h en a t i o n a l p r o d u c tp r e s e n t l y i t s s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yb e c o m et h e i m p o r t a n tp u z z l e s t h ef l u i df l o w i n d u c e dv i b r a t i o ni s o n eo ff a c t o r so nt h e r o t o rv i b r a t i o na n db l a d ef a i l u r e i na c c o r d a n c ew i t hl o n g - t e r ms t u d yo i lt h e m e c h a n i s mo ff l u i df l o w i n d u c e dv i b r a t i o na n da l lk i n do fm e t h o d st os o l v e s e a l i n gf l o w i n d u c e dv i b r a t i o ns u c c e s s f u l l y , t h er e c e n ta i rp u m p i n gd a m p i n g t e c h n o l o g yh a sb e e ni m p r o v e di nt h i sp a p e r t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h em e t h o d sa b o u ta i rp u m p i n gt oc o n t r o lt h es e a l i n g f l o w i n d u c e dv i b r a t i o ni nt h es t e a mt u r b i n e ，i th a sb e e np r o p o s e dt h a tt h i s w a y sa r eu s e di nt h el a b y r i n t hs e a li nt h es e a lr i n go fw a t e rt u r b i n ei no r d e rt o r e d u c et h es e a l i n gf l o w - i n d u c e dv i b r a t i o n w h e r e f o r e ，f i r s t l y , t h em a i nc a u s e o fs e a l i n gf l o w i n d u c e dv i b r a t i o ni sd u et ot h eu n b a l a n c e ds e a l i n gc l e a r a n c ei n t h el a b y r i n t h ；s e c o n d l y , i nt h el i g h to fs p e c i f i c i t ya n dc o m p l e x i t yo ft h ew a t e r t u r b i n e ，t h es e a l i n gc o n s t r u c t i o nw a ss i m p l i f i e da n dt h ee x p e r i m e n tr i gw a ss e t i i i 北京化工大学硕士学位论文 u pb a s e do ni t ；t h i r d l y , i na c c o r d a n c ew i t ht h ea i rp u m p i n gm e c h a n i s ma n d e x p e r i m e n tr i g ，t h ev i b r a t i o nb e h a v i o r sa r ec o n t r a s t e db yi n s t a l l i n gw a t e r p u m p i n gd e v i c ei nu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo fm i n i m a ls e a lc l e a r a n c e t h e r e s u l t sp r o v et h a tt h ew a t e rp u m p i n gd e v i c ei nu p s t r e a mo fm i n i m a ls e a l c l e a r a n c ec a l lr e d u c er o t o rv i b r a t i o ne f f e c t i v e l y 2 i nt h ea n t i s w i r lt h e o r y , a p p r o p r i a t ef l o wo fa n t i - s w i r lc a ns u p p r e s st h e f l o w - i n d u c e dv i b r a t i o ne f f e c t i v e l y , b u tt h ec o n t r o lo f f l o wi sd i f f i c u l t y i ft h e j e tf l o wi st o ol i t t l e ，t h ev i b r a t i o nc a n tb es u p p r e s s e de f f e c t i v e l y ；i fi t s t o o m u c h ，t h ev i b r a t i o nw i l lr a i s ei n s t e a d t h e r e f o r e ，a c c o r d i n gt ot h i sm e c h a n i s m ， t h en e wc l o s e d - l o o pa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fa i rp u m p i n gh a sb e e n p r o p o s e di nt h es e l f - b u i l tb l a d e v i b r a t i o ne x p e r i m e n tr i g t h ei m p r o v e ds y s t e m i sb a s e do nt h ea d v a n c e dt h el a b v i e wp r o g r a m m a t i cs o f t w a r ea n di tc a n a c h i e v et h a te x p e r i m e n ta p p a r a t u si sa u t o m a t i cc o n t r o l l e d b ym e a s u r i n gt h e b l a d ev i b r a t i o nr e g u l a t et h ev a l v eo p e n i n ga u t o m a t i c a l l yi no r d e rt oc o n t r o la i r c a p a c i t y t h ec o n t r o lp r o c e d u r e sa r ed i v i d e di n t ot h r e es t e p sc o r r e s p o n d i n gt o t h r e ev a l v eo p e n i n g w h e nt h ev i b r a t i o ne x c e e dt oe a c hs t e p ，t h ev a l v ea r r i v e a tt h es p e c i f i e do p e n i n ga n da d j u s tt ot h ea i rp u m p i n gf l o wt oa t t a i nt h eb e s t d a m p i n g e f f e c t t h ee x p e r i m e n td a t am a n i f e s t su n d e rt h er e g u l a t i o no f a p p r o p r i a t ep u m p i n gf l o w , t h ed i f f e r e n ts t e pc a nr e d u c et h eb l a d ev i b r a t i o nb y 一一一一一一 ， a b o u t3 0 i ft h eh o n e yc o m bs e a li su s e dt o g e t h e lt h ea m p l i t u d eo f d a m p i n g c a nr e a c ha b o u t4 0 b e s i d e st h i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i rp u m p i n g t e c h n o l o g yi sm u c hm o r es t a b l et h a nt h ea n t i s w i r lt e c h n o l o g y i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：f l u i df l o w i n d u c e dv i b r a t i o n ，a n t i s w i r lf l o w , f r a n c i s t u r b i n e ， s e a lr i n g ，a i rp u m p i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，h o n e yc o m bs e a l v 符号说明 符号说明 总气体流量m 3 s j 压力系数 叶片中央处速度m s o 局部效率损失 叶顶间隙 偏心距 系数 叶片距离 密封长度 密封腔中流体周向平均流速m s - o 摩擦因子 级扭矩 间隙单位长度改变造成的热效率的变化 叶片平均直径 叶片长度 v i l m 力 “ f 万 g s ， y f 丁 d 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：兰里! 翌! 墨兰星 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：乏丝查 日期： 导师签名：孵日期： 易d 0 5 、易罗 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金项目：叶轮机械中基于合成射流技术的密封汽流 激振自愈调控原理与方法( 编号：5 0 6 7 5 0 1 3 ) ；国家高科技研究发展计划( 8 6 3 计划) ： 离心压缩机密封汽流激振故障预测和自愈合调控技术研究( 编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 4 2 2 ) 。 1 1 2 研究的目的和意义 透平机械包括汽轮机、燃气轮机、水轮机等是目前主要的动力机械，是原动机， 它将自然界当中物质产生的热能、水的势能转换为旋转的机械能，从而带动各种设备 运行，如压缩机、泵、发电机。它是航空、石化、发电站的核心设备，在这些企业的 投资和日常消耗中占有相当大的比重【l - 3 1 。 随着我国工业快速发展，透平机械也朝着大型化、高负荷、高转速等满足各种复 杂工况的要求方向发展。伴随着这些发展，大型透平机械的安全性和稳定性也越来越 引起人们的关注。其中，滑动轴承油膜涡动及振荡、转子动静碰磨、转子不平衡、转 子不对中、汽流激振等是造成汽轮机、压缩机等大型透平机械频繁发生故障的主要因 素 4 1 。 流体激振在影响透平机械稳定运行的各因素当中扮演越来越重要的角色，这是由 于随着大型透平的蒸汽压力、流量等参数的不断提高，转子的流体激振力也会随之增 大，振动问题也必然变得越严重，最终就会导致透平在运行中出现安全问题。汽流激 振是蒸汽在高参数和大容量的气压缸中产生的，其原因就是由于转子在旋转时的偏 心，使密封间隙沿圆周方向分布不均，间隙小的一侧流体作用于转子上的横向力较大， 因而就生成了垂直于转子偏心方向的合力，导致高压转子涡动，振动突然增大，严重 影响机组稳定【5 。j 。 对于水轮机来说，由于其流道及叶轮形状复杂、止漏环结构特殊等原因，引起其 振动的因素是多方面的。除制造、运行等因素外，水力因素是造成混流式水轮机振动 的主要原因。其中，止漏环间隙不均匀是众多水力因素当中的主要因素之一。止漏环 即水轮机的密封结构，其间隙一般比较小，前后的压差则很大。当机组由于某种原因 发生转子偏心时，在间隙中的周向水流就会产生很高的压力脉动。当压力脉动累计到 一定程度时，往往能引起机组的自激振动，严重影响机组的安全性【8 】。 汽轮机水轮机密封产生自激振动的原理基本相通，都是因为密封间隙不均造成的 北京化工大学硕士学位论文 汽流或者水流产生垂直于转子偏心方向的合力，造成涡动。这种密封流体激振一般为 突发性的，造成的危害也是相当大。 国内外的很多机组都曾经发生过强烈的密封流体激振。比如内蒙古包头东华热电 股份有限责任公司2 号汽轮机组带负荷试运时，当负荷升至2 8 0 m w 时，1 瓦、2 瓦主 轴振动突然增加，l 瓦由2 7 1 a m 增加至18 7 i t m ，2 瓦由3 2 1 a n 增加至1 6 5 p r o ，即将达到 2 5 0 1 u n 的跳机值，3 瓦、4 瓦轴振也大幅增加，轴系也开始失稳。排除转子质量不平 衡等因素最终确定汽流激振是主要原因。该突发振动通常有1 个门槛负荷，超过此负 荷，立即激发汽流激振；而当负荷降低至某一数值时，振动即能恢复正常【9 】。辽河富 腾热电有限公司二期的单缸抽汽背压式汽轮机因前轴承振动值过高而跳闸停机。经过 测试可知导致汽轮机跳闸停机的振动频率为4 8 8 h z ，该振动频率与转子的一阶临界转 速9 2 2 r m i n 相合拍( 2 9 2 2 + 6 0 - - 4 8 7 h z ) ，波形为正弦波，且振动有良好的再现性，为典 型的汽流激振【i 们。工程当中防止汽流激振的措施主要有：( 1 ) 利用反旋流技术在密封 腔内反向喷射高压蒸汽干扰流体的周向涡旋；( 2 ) 提高轴颈在轴瓦中的偏心程度；( 3 ) 改变轴瓦的几何形状；( 4 ) 减小轴瓦间隙；( 5 ) 改变润滑油温【5 - 7 , 1 1 】。 水轮机方面，隔河岩电厂的4 台水轮机转轮自1 9 9 3 年首台机组发电以来的1 0 年 间，每台水轮机转轮都陆续出现了不同程度的裂纹。从几台机组裂纹发生的部位来看， 认为产生裂纹主要由于机组长期处于振动状态，运行工况不利。其中在各种引起振动 的因素中，止漏环间隙不均造成的密封激振是重要原因之一【1 2 1 。四川省渔子溪电站四 号机组也出现过下梳齿迷宫不均匀而造成的密封水流激振。当转轮上冠与下环进口处 的间隙由原来的l m m 车削至2 5 r a m ，支撑环( 基础环) 过水部分车削掉2 0 m m ，其他 部分车光滑，振动才得到解决【1 3 】。土耳其卡拉乔仑电厂2 号机于1 9 9 3 年底安装完毕， 投入试运行后发现机组在4 0 - - 7 0 负荷范围内振动剧烈，最终发现迷宫间隙偏小造 成不均是产生自激振动的主要原因。经过现场打磨，将水轮机上迷宫间隙由原来的 1 0 3 m m 扩大到1 3 5 m m ，下迷宫间隙由0 9 0 m m 扩大到1 5 5 r a m ，振动才得到解决1 1 4 】。 众多事实表明，水轮机止漏环间隙不均能够造成水轮机组自激振动。转子转动周 期性的间隙不均，小间隙一侧产生的侧向推力的频率往往与轴系部件固有频率成重 合，就会产生共振而激发出超过正常侧向力3 倍一5 倍的水动力，可以引起轴的弓状回 旋，也可以导致机组剧烈振动。工程中解决止漏环间隙不均问题通常采用牺牲效率， 增大止漏环间隙的方法，这种方法虽然在一定程度上解决了自激振动，但是造成的泄 漏问题比较严重【l5 1 。 造成密封流体激振是由于密封间隙不均，转子偏心造成密封与转子间的流体的各 参数沿周向分布不均，从而引起压力波动。所以，目前工程中比较新型的技术有在被 动控制方面增大阻尼法，广泛使用就是蜂窝密封【1 6 1 7 1 。还有主动控制法，就是反旋流 法【1 8 五1 1 、吸气法【2 2 。2 4 】 本文的主要内容有：( 1 ) 总结了反旋流和吸气降低流体激振的机理及应用；( 2 ) 提 2 第一章绪论 出运用吸气技术在水轮机止漏环上的思路，并进行吸水实验；( 3 ) 对吸气减振技术进 行改进，结合故障诊断与自愈技术【2 5 乏6 1 ，实现减振系统中对吸气量的自动控制，达到 最佳减振效果。 1 2 流体激振的国内外发展现状 1 9 4 0 年，美国g e 公司生产的一台汽轮机，在试验提高压力过程中，当越过一个“门 槛值”时，转子振幅突然增加很多，后被首次认定为透平机械汽流激振现象。1 9 5 8 年， 德国的t h o m a s 在研究很多类似的振动现象之后，首先提出了间隙激振的基本理论，并 给出了透平间隙激振力的计算公式【2 7 】。1 9 6 5 年，美国的j s a l f o r d 在研究航空发动机稳 定性时，导出了其中密封间隙激振力的计算公式，并指出了公式中的效率系数d 的取 值范围及转子的涡动方向，此时密封间隙激振才引起人们的足够重视，人们称该激振 力为灿f 0 r d 力。1 9 7 5 年德国的k u r l i c h s 和r w 0 h l r a b 以及1 9 8 4 年美国的j m v a n c e 对涡轮 发动机进行了实验研究，用鼓风机进行了静子偏心时作用于叶轮上的横向力测试，证 实了舢f o r d 力的存在。在t h o m a s 和舢f - o r d 提出的激振力分析模型中，都忽略了进口处 的气流周向速度，而这却是产生交叉切向力的首要因素。2 0 世纪7 0 至8 0 年代，前苏联 学者研究了透平主轴密封的螺旋形效应，发现高压透平的密封间隙中汽流的惯性效应 远远大于摩擦效应。2 0 世纪8 0 至9 0 年代，国外学者先后提出了密封汽流激振的单控体 模型、双控体模型、流线型模型、全三维模型，并应用于大型透平机械的设计与分析， 其中单控体和双控体模型在工程上已经被广泛应用。 国内对流体激振的研究是在发达国家做出一定成果之后才开始的，起步较晚，发 展很快。首先，上海发电设备成套设计研究所建立了单跨转子模型化密封流体激振实 验台，对蒸汽透平的密封激振进行了模型化研究，提出了大型透平机组密封汽流激振 刚度简化算法，并对国产2 0 0 ：；f e 瓦汽轮发电机组中在汽流激振情况下的稳定性和失稳 转速进行了计算分析。9 0 后，山东工学院柴山等人，应用流体动力学和动量定理，对 密封流体激振进行了深入研究，分别推出了汽轮机直叶片、短扭叶片、长扭叶片在汽 流场中的间隙流体激振力的计算公式。西安交通大学朱宝田、吴厚钰提出了通过谐波 分析定理确定各阶谐波激振力的一整套力学模型和数值计算方法，给出了各阶谐波激 振力与其主要影响因素之间的关系。清华大学陈佐一提出了一种应用振荡流体力学方 法求解其汽封流场、稳定性以及确定特性系数的全新方法，并且将应用该方法得到的 汽封动特性系数与双控体模型进行了比较，证明振荡流体力学方法大大优于双控体模 型的方法。西安交通大学鲁周勋、谢友柏等分析了国产2 0 0 m w 汽轮机高压端的密封激 振，进行了密封流体激振对转子稳定性影响的研究。西安交通大学孙启国分析了密封 间隙流体的环流流场，分析了流体激振力对偏心转子动力特性的影响。东南大学杨建 刚等采用了将转子位移分解为静位移与动位移的方法，分析了密封激振对转子稳定性 北京化工大学硕士学位论文 的影响，认为a l f o r d 公式中不考虑动偏心的计算结果是有偏差的，并对其进行修正。 北京化工大学的何立东与哈尔滨工业大学的夏松波等人提出了转子与汽封流体进行 流固耦合分析方法，建立了描述转子密封系统汽流激振的三维转子密封非线性流固耦 合理论模型，揭示了汽流激振的非线性本质，并提出了防止措施。东南大学的黄典贵、 李雪松对传统梳齿式密封中的流体激振力进行了立体非定常粘性流体模型的分析和 简化，并探讨了梳齿密封齿型对密封激振力的影响。华中科技大学的丁学俊等利用b l a k s h m i n a r a y a n a 公式推导了一个包括叶栅和流动参数的效率系数计算方法并进行了 验证，该方法计算的b 值压气及风机比较准确，解决了流体激振力公式中选取效率参 数的问题。由此可见，对密封流体激振的研究是近些年来大型透平机械的热点和难点 问题 2 8 - 2 9 1 。 1 3 反旋流技术简介 上世纪末，反旋流技术开始被应用在透平机械中以解决流体激振的问题。这个想 法是由a m u s z y n s k a 和d e b e n f l y 在8 0 年代后期提出的，其目的就是要采取一种有 效的方法来消除或者减弱汽流在迷宫腔内的涡旋，这样就可以从根本上防止密封激振 0 0 - 3 2 1 。具体方法就是在迷宫密封腔内导入一股与转子旋转方向相反的汽流，用以抵消 密封腔内的涡旋方式的流动形态。a m u s z y n s k a 和d e b e n f l y 的反旋流装置主要运用 在离心压缩机末级叶轮处，因为此处的气体压力很高，并带有非常大的涡旋速度进入 密封腔内。为了抵消气流在迷宫密封腔内的周向涡旋，在密封入口的前几个齿腔内导 入一股高压反向涡旋气流。导入的方式是沿圆周在隔板上安装流量可控的喷嘴，其喷 射方向与转子旋转反向相反，将排气管的高压气流导入密封腔内，并具有一定的周向 速度，在选择合适压力流量的情况下，能够有效的抵消掉气流在迷宫腔内的周向分速 度，达到平衡压力的目的。结果显示，只要设计的合理，用这种方法可以有效减缓以 致消除密封腔内的气流激振现象【3 3 】。 国内学者沈庆根等根据a m u s z y n s k a 和d e b e n t l y 的反旋流模型，提出了三种改 进方案：( 1 ) 采用带有纵向翅片的反旋流环；( 2 ) 采用轴向开孔的反旋流环；( 3 ) 堵塞 旋流通道【1 8 1 。何立东通过研究物体在流场中振动时的受力和运动特性的非线性模型， 将其推广到转子密封的非线性动力学问题中去，得到转子密封系统的总体流动特性和 受力状态。并且结合反旋流主动控制实验，分析了反旋流在抑制汽流激振的机理。实 验结果在合适的喷嘴直径，合适的压力流速的情况下，反旋流可以有效的抑制流体激 振。然而当转子轴颈变小、增大喷嘴直径、提过转子转速时，在反旋流的作用之下， 转子振动的峰峰值远大于密封间隙，因此必然会造成转子密封之间的动静碰磨，转子 发生弯曲变形，导致失稳i l 川。 可以发现，如何有效的利用反旋流抑制密封流体激振依然是个难题。因此就必须 4 第一章绪论 对现有的反旋流抑振系统加以改进，提出更能适合实际要求的主动抑振技术。 1 4 吸气减振技术 反旋流反向喷射高压汽流的方法虽然可以抵消掉转子高速转动造成的汽流周向 涡旋，但是同时也大大增加了密封腔内流体的压力，从而也增加了机组运行时的不稳 定因素，如果反旋气流压力、流速等参数调节不当，反而会激起机组更大的振动。因 此如果在不增大密封腔流体压力的同时，又可以有效的减少由于转子偏心造成的汽流 沿周向分布不均的压力波动问题，那么这样的一个控制技术同样能够抑制汽流激振。 何立东通过分析国内外有关吸气的各类研究，提出新型的吸气减振理论。吸气技术是 相对反旋流技术的改进方案。大型透平机械和航空领域中多采用吹吸气来控制叶片吸 力面流动分离，抽除低能气流以减小二次流损失，提升级效率0 4 - 3 7 。表面层吸气能延 迟和减小吸力面流动分离，改善系统整体性能【3 8 - 3 9 1 ，m a r k 等人采用表面吸气和喷射 高速气流的方法来削弱机翼和机身交接处不利的旋涡流【加1 。在静叶片吸力面吸气可提 高叶片负荷【4 ，表面吸气是高负荷叶型设计方法之一。目前吹吸气相关的研究主要是 针对于静叶栅，在研究了国内外很多的文献之后，还没有找到将吸气应用于改善动叶 片动态特性的研究。何立东因此而提出吸气解决透平动叶片激振问题，并通过实验研 究发现叶顶吸气能够有效的抑制叶项密封汽流激振【4 2 】。目的就是首先可以通过吸气解 决由于转子偏心到导致的密封间隙中压力不平衡问题，方法就是在高压端吸气以达到 压力平衡；其次，密封周向的吸气可以减弱汽流旋涡的产生，从而减弱汽流激振。 何立东、张强在成功研究反旋流方法抑制密封流体激振的基础上，运用相同的叶 片一密封实验台上，利用往复压缩机提供振源，使得汽流在单个叶片的叶顶和两侧空 腔内进行压力波动，从而激起叶片振动，当振动值超过8 0 i _ t m 而发生异常激振的时候， 运用气泵和真空泵分布对叶片进行喷射和抽取气流的实验研究【4 ”3 1 。通过实验可以发 现：( 1 ) 在叶片顶部吸气能够有效的抑制汽流激振，能够使叶片的振动值减少2 0 左 右；( 2 ) 当采用不同喷嘴时，可以发现喷嘴的角度对带冠叶片振动的影响不大；( 3 ) 在 叶项密封间隙最小的正方向，也就是上游位置吸气，能够更有效的降低汽流激振；( 4 ) 在带冠叶片的吸气及喷气对比实验中，发现吸气的减振效果更好，而且振动值稳定， 波动小。由此可见，在通常的透平机械带冠叶轮中，在密封间隙最小处的上游吸气能 够有效的抑制流体激振，而与其相对的反旋流喷射，则可能造成转子运转的不稳定。 何立东、孙永强根据吸气抑振实验的结果，并结合其他人在反旋流实验中遇到的 一些问题，提出闭环可控的吸气减振技术j 。该可控实验是在上一节实验的基础上进 行改进的，实验装置依然是上述的叶片一密封装置，但是增加了自动控制的部分，设 置了一个振动“门槛值”，当叶片正常运转时，振动值在“门槛值 之下，吸气装置 关闭，当叶片发生气流激振而导致振幅超过“门槛值 时，吸气装置打开，抑制激振。 北京化工大学硕士学位论文 可控的吸气减振系统可以自动的控制吸气阀的开闭，达到了如果发生激振，主动抑振 系统可自动打开的目的。可是，这个控制系统同样有它的不足之处：( 1 ) 控制程序只 有开闭两种方式，不能对吸气量进行调节，所以就不能满足实际中复杂工况的要求； ( 2 ) 该实验虽然对前一节的实验进行了改进，但是并没有证明反旋流碰到的问题吸气 就不会碰到，如果吸气量太少，必然不会有效的抑制汽流激振，然而如果吸气量太多， 会不会反而激起机组振动，这个实验也并没有能够说明。 1 5 本文的主要研究内容 本文针对密封流体激振产生的机理，总结了常用的抑制其振动的主要方法，对反 旋流和吸气进行系统性的介绍，并且对吸气减振技术进行了推广和改进，具体内容有： 1 将吸气方法应用在水轮机止漏环迷宫密封上，提出吸水减振的新方法；2 基于 l a b v i e w 软件开发吸气减振自动控制系统，对实验进行了综合分析。 1 5 1 应用吸气机理在水轮机止漏环的吸水减振实验研究 在反旋流和吸气技术成功应用在蒸汽透平的各种实验及工程实际的基础上，提出 应用此技术在水轮机止漏环迷宫密封当中的思路，并搭建实验台进行模拟实验。水轮 机止漏环迷宫密封时常发生由于转子偏心引起的剧烈振动，究其原因是由于密封间隙 不均引起的流体压力脉动，此脉动产生的原因也是由于密封腔内流体的旋涡结构。其 涡旋原理基本和蒸汽透平的密封激振原理相同，因此为反旋流成功应用在水轮机上提 供了可能。 本实验首先简化了复杂的止漏环结构，提出在密封腔内吸水的结构；其次，对比 了偏心与否引起的振动值变化；最后，对比在密封最小间隙处的上下游吸水的振动值， 发现在最小间隙的上游吸水能够有效的抑制激振。 1 5 2 基于l a b v i e w 的自动控制吸气减振实验研究 由于引起密封流体激振需要透平机械的各重要参数越过一定的“门槛值 ，振动 才会突然增大，如果没有达到此“门槛值”，流体激振就不会发生。所以，流体激振 的特点就有个门槛效应，而且振动强烈。目前的反旋流技术，就是在密封入口的前几 个齿腔内导入反向涡旋的高压汽流，来消除流体在密封腔内的周向旋涡，已经收到很 好的实验效果，但是在应用在实际的过程中遇到了瓶颈。目前的反旋流技术，或者没 有控制系统，或者控制系统仅限于振动超过“门槛值 阀门打开，喷射汽流，低于“门 槛值”阀门关闭，停止喷射汽流。这样就有了很大的弊端，首先，因为反旋流的量的 6 第一章绪论 控制没有能够实现，如果流体没有达到发生激振的“门槛值 而达到控制系统的“门 槛值”时，也就是振动并非流体激振引起而是其他因素引起的，反旋流喷射入密封腔 内的高压汽流不但不会降低振动，反而反旋流的高压高流速可能会激起转子更大的振 动，但此时的控制系统却无法识别此振动的原因；其次，由于流体激振通常发生在转 子高参数一端的密封腔内，如果某个密封腔内的流体达到了发生激振的“门槛值 ， 振动突然增大，目前的反旋流系统无法识别激振是发生在哪个密封腔内，而阀门一起 打开，喷射流体进入各个腔内，如果喷射的量合适，振动就会大大降低，但是由于阀 门时全部开启的，这样就会造成很大的效率损失，所以应该阀门进行各个腔室的分类 处理。如果喷射的量不合适，喷射的太多，除损失效率外，还造成额外的负荷，如果 喷射的太少，流体激振就不会得到彻底的解决。因此，就必须对目前的反旋流方法进 行改进，并对其喷射量进行有效的控制。 本文在此基础上，首先借鉴目前最新的吸气减振方法，来避免喷射汽流有可能会 激起转子振动的弊端。这是因为吸气相对于喷气同样可以干扰密封腔周向旋流的产 生，而且还会降低高压腔内的压力流速等参数；其次，根据现有的单一“门槛值 反 旋流减振系统，应用l a b v i e w 软件编译复杂的控制程序，对反旋流量进行自动控制， 实现针对振动值来调节流量从而达到最佳减振效果、最佳吸气量的目标。具体就是如 果振动超过“门槛值 ，阀门开启到一定开度，这时如果激振得到有效解决，振动幅 值就会降低，如果流量太小，振动幅值就还会增大，这时，阀门开度继续增大，直到 能够达到有效降低振动为止。整个系统自动完成，提高了机组的稳定性；最后，根据 现在常用的蜂窝密封减振方法，模拟叶顶为蜂窝密封时使用自动控制吸气减振系统， 测试二者共同使用时的减振效果。 7 第二章应用吸气技术在水轮机止漏环上的抑振实验研究 第二章应用吸气技术在水轮机止漏环上的抑振实验研究 混流式水轮机的振动直接影响到机组的稳定运行、影响到电站的经济效益，并严 重威胁到水电站的安全。而水轮发电机组振动又是水电站普遍存在的问题，其有设计、 制造、安装、检修及运行等诸方面原因，但归纳起来主要是由机械、电磁和水力三方 面引起的。混流式水轮机由于流道液态复杂、止漏环结构和叶片翼形特殊等原因，引 起其振动的原因更为复杂【4 5 1 。因此，混流式水轮机机组的振动原因可以归结为由止漏 环间隙不均匀、尾水管涡带引起的压力脉动等水力因素，以及水轮机自身制造上的因 素，比如：制造精度，动平衡等等。 本章的内容主要是应用吸气技术在水轮机止漏环迷宫密封上，用以解决与蒸汽透 平类似的流体激振问题。实验通过转子发生偏心时，对比在密封最小间隙的上下游吸 水的振动情况，说明在最小间隙上游吸水可以有效的抑制转子的振动。 2 1 简化实验模型 2 1 1 常用的止漏环密封结构 止漏环又称迷宫环，其作用是把转动环和固定环相配合的间隙做成忽大忽小，或 成直角转向从而增加水流前进的阻力，达到减少漏水的目的。按照形状可分为问隙式、 迷宫式、梳齿式和阶梯式四种形式，如图2 - 1 和图2 2 所示。 孱图 ( a ) 间隙式止漏环 ( a ) g a p - t y p es e a lr i n g 匿溯缓 万万 人) ( b ) 迷宫式止漏环 ( b ) l a b y r i n t hs e a lr i n g ( c ) 梳齿式止漏环( d ) 阶梯式止漏环 ( c ) c o m b - t y p es e a lr i n g( d ) l a d d e r - t y p es e a lr i n g 图2 - 1 止漏环装置 f i g 2 - 1t h es e a lr i n g 9 北京化工大学硕士学位论文 ( a ) ( b )( c ) 图2 _ 2 止漏环与转轮的相对位置 ( a ) 迷宫式止漏环；( b ) 间隙式及梳齿式止漏环；( c ) 阶梯式止漏环 f i g 2 - 2t h er e l a t i v ep o s i t i o no fs e a lr i n ga n dr o t o r ( a ) l a b y r i n t hs e a lr i n g ；( b ) g a p - t y p ea n dc o m b - t y p e s e a lr i n g ；( c ) l a d d e r - t y p es e a lr i n g 2 1 2 简化密封结构 混流式水轮机一般在中、高水压的电站使用，而且它的止漏环结构也比较复杂( 如 常用迷宫式或者梳齿式) ，密封间隙通常很小，但是密封两端的压差很大。当转轮在 转动过程中发生周期性偏心运动时，通常就会在密封间隙中造成很大的压力波动。而 这种压力脉动一般都会引起转轮甚至机组的自激振动，这种激振是由高压水流以及振 动体( 转轮和主轴) 本身的旋转所决定的。这种流体激振通常在接近于振动体的固有 频率下发生的，并且一旦发生危害极大，必须及时予以处理。因此，通常止漏环的密 封结构使得流体的涡旋产的激振的危害会很大，实际工程中也经常发生动静碰磨的现 象，迫使停机。 因此，本章在主要目的就是针对转子偏心时的压力波动，而其产生的场所就是密 封腔。根据这些，本文对止漏环复杂的密封结构进行简化。这是因为密封间隙无论是 忽大忽小，还是直角转向，水流在密封中前进总要经过直边的泄露过程，而且水轮机 大转轮使得这个直边的长度相对较长，本实验的吸水就是针对直边进行的，目的就是 为了通过吸水降低径向压力不均，使周向压力处于一个较为平衡的状态，从而达到减 振目的。因此，为达到此目的，本文将混流式水轮机的止漏环密封可以近似简化为如 图2 - 3 所示的结构。 1 0 第二章应用吸气技术在水轮机止漏环上的抑振实验研究 转动方向 o ! 露方向 l 转 子 图2 3 简化的密封结构 f i g 2 - 3t h es i m p l i f i e ds e a ls t r u c t u r e 此结构由较长的带冠转子以及直边的固定环构成，二者之间有着较长的直边间隙 作为密封间隙，水流泄漏方向沿轴向，而且随着转子转动，水流有着较大的周向速度， 随着调节转轴与固定环之间的间隙，模拟转子在运行中的偏心情况。这样的一个简化 方案基本符合了造成水轮机止漏环中密封流体激振的必要因素，因此，本实验采用的 实验台的设计基本按照这个简化方案进行。 2 2 实验装置介绍 2 2 1 实验装置设计 本实验是自主设计的吸水抑振装置，为了能够模拟上一节中密封简化的结构，使 转子能够偏心且在密封间隙中有较大速度的周向水流，更重要的是比较容易反应出转 子在不同偏心情况下的流体对转子的作用力，实验选用两个薄壁圆筒作为转子和固定 环，其中直径较小的圆筒由电机带动，电机转速为5 0 0 r m i n 和6 0 0 r m i n 两种，直径较 大的圆筒固定作为固定环，二者之间构成密封系统。这两个薄壁圆筒的特点就是直边 长度较长，这样就比较容易产生水流激振。而且外圆直径分别为1 8 c m 和1 9 c m ，圆筒 壁厚为0 5 m m ，因此转子在无偏心时的间隙为4 5 m m ，本文采用测量两个圆筒之间的 距离来调节密封间隙。在外圆筒边上开孔，将吸嘴插入开孔内，用密封胶粘接保证吸 嘴与固定圆筒密封良好，不发生泄漏。然后通过水泵在密封间隙内吸水，吸的水通过 循环管路再流入容器内，如图2 4 所示。 图24 吸水减振实验装置图 f i 9 2 4 t h e w a f 盯p u m p i n g e x p e r i m e n t d e v i c e 2 2 2 吸水部分实验装置设计 由于转子的偏心。造成密封间隙不均匀，从而使得流体压力在周向分布不均，通 常在密封间隙最小处产生最大的动压力。吸水就是为了缓解这种压力不平衡现象，从 而降低振动。本实验目的就在于用实验的方法来找到密封最小间隙处的最佳吸水位 置。实验对比了在最小问隙处的上下游吸水时，转轴的振动值。吸水的上f 游位置如 图2 - 5 和陶2 - 6 所示。 图2 - 5 实验装置中最小密封问隙处的吸水位置 f i g 2 5 t h e w ac 甘p u m p i n g p o s i t i o no f m i n i m u ms e a lg a p i n t h ee x p e r i m e n t ”g 1 2 第二章应月气技术在m 轮机漏虾j 的抑振实验r 光滑壁面 密封最小闻隙处 图2 - 6 转子在偏心对的上下游位置 f i 9 2 - 6 t h e p o s i t i o n o f u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mo f t o t o re c c e n t r i c i t y 2 2 3 吸嘴的结构 如图2 7 所示，吸嘴由0 3 m m 厚的铜质圆筒制成。圆筒右端压扁并且在雎扁的 同时，用塞尺测量出吸嘴的右端有个o2 r m n 的缝隙，缝隙在吸嘴在与固定环粘接后能 够与密封腔相通。吸水时，密封腔内的水流通过缝隙进入管路，再经过水泵循环流入 容器内。 2 2 4 水泵 目”吸嘴 f i g 2 - 7 n o z z l e 实验选用小型的单相清水泵，最高扬程是2 3 m ，最大吸程足8 m 。这种小型水泵 体积，j 、巧具有一进一出的抽水口、排水口各一个，并且在进1 3 处能够持续形成真空 北京化工 学碗l 学位论立 或负压，排水u 处能够形成较大的输出压力。其工作原理是电机的圆周运动，通过机 械装置使水泉内部的隔膜做往复式运动，从晰压缩、拉伸泵腔内的空气，在单向阀作 用下，在排水l 】处形成正压；住抽水口处形成真空，从而与外界大气压i i j 产生压力差。 在压力差的作用下，将水压入进水几，冉从排水口排出。这样水流持续不断的吸入、 排出，形成稳定的流量。如图2 8 所示为此小型的吸水