汽轮机叶顶汽封泄漏涡诱导下的压力脉动研究

以某汽轮机级为研究对象,采用三维非定常数值模拟的方法,研究了动叶顶部汽封泄漏涡的涡动特性和泄漏涡影响下汽封腔室内的压力脉动规律。结果表明:叶顶汽封腔室内存在周向螺旋状涡与壁角涡组成的多尺度涡系,涡系的位置和影响范围会随时间经历复杂的变化。叶顶汽封腔室内的压力脉动频率中兼具叶轮旋转的周期性频率和溃散为小尺度涡结构后的高频率。间隙内的多尺度涡结构和动静叶间交替变化的压力场在汽封间隙内的传播是引起汽封腔室内周向压力不均的主要原因。     

气流激振对球轴承涡轮增压器转子动力学特性的影响

车用球轴承涡轮增压器气流激振力包括密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力。针对某型号车用球轴承涡轮增压器,分别应用Black模型和Alford模型,计算得到密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力。将计算结果代入模型进行仿真计算,得到密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力对增压器转子系统临界转速、稳定性、不平衡响应的影响规律。分别与临界转速实验结果、与未添加叶顶间隙气流激振力模型计算结果、未添加密封流体激振力和叶顶间隙气流激振力的计算结果进行对比分析,结果表明:密封流体激振力增加系统阻尼,降低球轴承涡轮增压器转子系统的振幅,提升系统的稳定性;气流激振增加系统交叉刚度,降低系统稳态响应振幅。     

大型非线性转子-密封-轴承系统的不平衡响应与稳定性

对实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统建立了具有超大规模维数的非线性动力学模型,该模型考虑了密封的非线性激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子的阻尼力、不平衡质量力和重力.采用Newmark方法对其进行数值求解,模拟出转子升速过程中汽流激振现象的典型特征和发生汽流激振的失稳转速,并且得到系统参数对转子不平衡响应和稳定性的影响规律.结果表明:适当的增大转子的阻尼、密封的半径间隙和密封流体轴向流速可提高转子发生汽流激振的失稳转速,这为在设计和运行中提高实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统的稳定性提供了参考依据.     

新型汽封在汽轮机上的实际应用

汽轮机汽封设计(包括端部轴封、隔板汽封、叶顶汽封)是汽轮机整体设计中的重要组成部分,确保与轴最佳间隙,是提高汽轮机效率的有效措施。然而随着机组启动运行工况的变化,传统结构汽封已无法对间隙进行自动调整,不能始终保持最佳状态,因而无法确保汽轮机在启动时安全可靠和正常运行下的经济效益,目前已有众多电厂对已运行机组传统汽封改为接触式汽封。     

非线性汽流激振力对超超临界汽轮机转子运动特性的影响

汽流激振力严重影响超超临界汽轮机的安全稳定运行,为此建立某1 000 MW汽轮机高压缸1.5级的三维全周模型,通过数值模拟得到不同负荷下的非线性汽流激振力,将汽流激振力耦合到转子-轴承-密封系统中,利用Runge-Kutta法求解微分方程组,对转子非线性运动特性进行分析。结果表明:随着转速升高,转子运动幅度变小,额定转速下转子处于一周期运动。随着负荷增加,系统由带混沌倾向的周期性运动向周期性的混沌运动过渡,此后进入复杂紊乱的混沌运动。非线性汽流激振力以分频的形式影响转子运动。低负荷时,振动频率以1/2工频为主,随着负荷升高,振动以工频为主,期间还出现1/3、2/3工频振动。受非线性汽流激振力的影响,转子系统处于混沌运动,最大Lyapunov指数大于零,系统可能失稳。     

基于密度修正的滤波器模型在轴流泵叶顶区空化数值模拟中的应用与验证

为了准确揭示轴流泵叶轮叶顶区的流场结构和空化形态,选用某一模型轴流泵进行数值模拟和空化可视化试验研究。研究结果表明,基于密度修正的滤波器湍流模型(Density Correction Method Based Filter Based Method,DCMFBM)可准确预测汽蚀余量NPSH值,预测最大误差比SST k-ω模型小3%;在小流量工况下,叶顶泄漏流和泄漏涡在叶顶区充分发展,随着流量的增大,泄漏流向叶顶中后部发展,且泄漏涡与叶片吸力面的夹角减小,泄漏流对相邻叶片压力面的影响减小;叶顶区轴向速度先减小后增大,泄漏流进入间隙时在压力面拐角处发生流动分离,在叶顶端面附近卷吸形成角涡,在离开间隙区前泄漏流又会重新附着在叶顶端面上;湍动能呈现先增大后减小的趋势,且峰值随着弦长系数的减小而增大。通过空化性能曲线和叶顶泄漏涡的空穴形态对比分析,验证了DCMFBM湍流模型的适用性。从高速摄影结果可见,随着空化的发展,叶轮叶顶区泄漏流空化、射流剪切层空化以及泄漏涡空化共同构成三角形云状空化结构,且叶片尾缘存在空泡脱落,揭示了叶顶泄漏涡不稳定的空化特性。     

叶顶密封周向流动及流体激振抑制方法研究

控制叶顶间隙流体进口预旋及周向流动是减小密封流体激振力的主要方法。基于计算流体力学方法,通过在汽轮机某级叶顶间隙入口的动(围带)、静(汽缸)部件上增加新型微型叶栅,研究新型结构对叶顶间隙流体周向流动及流体激振抑制效果。结果表明:在新型微型叶栅的作用下,流体在叶顶密封入口由正预旋变为负预旋,密封有效阻尼系数由负变正,有效抑制了流体激振,提高了转子稳定性;将微型叶栅安装在围带上时对流体激振的抑制效果整体优于安装在汽缸上,且每两动叶片间数量为10个(围带叶栅)与6个(汽缸叶栅)时,转子系统稳定性最好。     

扁平箱梁涡激力的展向相关特性研究

针对扁平箱形断面梁,在均匀流场中进行了涡激振动节段模型风洞试验,研究了扁平箱梁涡激力的展向相关性。结果显示:在涡振锁定区的振幅下降阶段,升力的展向相关性随着振幅的减小而减弱;在涡振锁定区的振幅上升阶段,升力的展向相关性随着振幅的增大先增强后减弱,升力展向相关系数的最大值出现在振幅上升阶段的某个风速,而不是最大振幅对应的风速;均匀流场条件下,在涡振锁定区内,扁平箱梁涡激力的展向相关性不仅与振幅有关,也与来流风速值有关。     

一种基于综合泄漏流机制的涡轮转子流固耦合模型

针对涡轮转子Alford力模型的固有缺陷,综合考虑涡轮径向和轴向动静转子间隙变化对泄漏流的影响,研究了既包括涡轮径向偏心又涉及涡轮轴向偏斜的综合泄漏流机制,并以此为基础建立了能够同时反映涡轮径向偏心和轴向偏斜,同时还能体现涡轮平均径向和轴向间隙的非线性流体激振力模型。通过MATLAB进行数值积分和图形处理,得到了反映流体激振力与涡轮径向偏心距和轴向偏斜角关系的一组图形。最后还讨论了涡轮平均径向和轴向间隙以及涡轮偏心与偏斜相位差对流体激振力的影响。理论分析结果与现有实验数据比较证明,该模型是有效的,对建立考虑流固耦合的涡轮转子动力学模型具有实际意义。     

轴流泵叶顶泄漏涡空化的数值模拟与可视化实验研究

该文以某一等比例缩放模型泵为研究对象,采用修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对额定工况下轴流泵叶顶泄漏涡空化流进行了数值模拟,并与高速摄影结果进行了对比分析。探讨了叶顶区域泄漏涡空化流场结构,揭示了不同空化数下空化发生位置和空泡形态演变过程。研究结果表明,改进的数值模拟方法准确计算了叶顶区域空化流场的流动结构;轴流泵的初生空化为叶顶间隙空化和叶顶泄漏涡空化,随着空化数σ降低,叶顶泄漏涡卷吸区也出现了剪切层空化;在空化数较小工况下,沿着叶片吸力面在轴向形成空泡云,并在叶片尾缘存在周期性的空泡脱落和爆破过程,破坏了流动稳定性,并诱导产生空化噪声。     

汽轮机非线性间隙气流激振力作用下含裂纹转子的振动特性研究

建立了在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下裂纹转子-轴承系统的动力学分析模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子系统的分岔与混沌特性。利用Poincare截面和分岔图的变化分析汽轮机非线性间隙气流激振力和裂纹深度对系统振动响应特性的影响。分析结果表明：汽轮机非线性间隙气流激振力会使得系统的周期性运动状态提前,且混沌区域发生明显的减小;在浅裂纹时,汽轮机非线性间隙气流激振力对系统的响应起主导作用,且在超临界转速区域出现周期8运动;随着裂纹深度的增加,系统运动的混沌区域逐渐减小几乎消失,在超临界转速区域的逆周期运动演变为较长的周期3运动。研究结果可以作为含裂纹转子在汽轮机非线性间隙气流激振力作用下耦合故障发生的典型特征,也可作为此类耦合故障诊断的依据。     

基于尾流振子模型的桥梁节段至实桥涡激共振振幅转换关系

该文基于一种用于涡振模拟的两自由度经验模型（尾流振子模型）推导了桥梁节段至实桥涡振振幅转换关系。首先介绍了尾流振子模型的形式及其特点,其次从展向全相关及展向不完全相关两方面推导了节段至实桥涡振振幅转换关系,最后结合实际桥梁对上述过程进行了算例验证,并与现场实测结果进行了比较。研究表明:当不考虑涡激力展向相关性影响时,节段至实桥涡振振幅只与结构振型函数有关,尾流振子模型得到的转换关系与传统经验非线性模型得到的转换关系相同;当考虑涡激力展向相关性时,计算得到的实桥涡振振幅可能小于节段模型结果,涡激力展向全相关条件下得到的计算结果与现场实测结果更接近。因此,当缺少精确的涡激力展向相干函数时,假定涡激力展向全相关计算得到的实桥涡振振幅可能更为可靠。     

单面碰撞TMD及其桥梁涡激振动控制研究

单面碰撞调谐质量阻尼器(SS-PTMD)是一种新型减振装置,通过惯性力和黏弹性碰撞进行结构减振,针对SS-PTMD动力性能、碰撞力模型与验证、SS-PTMD桥梁节段模型涡振控制等开展了理论与试验研究。根据质量块单边运动受限和碰撞的特点,获得了SS-PTMD的动力特性;开展了钢-黏弹性材料碰撞试验,提出了碰撞力模型,根据试验数据识别了碰撞力模型参数,并验证了碰撞力模型;通过1∶40桥梁节段模型涡激振动风洞试验,发现+7°风攻角下出现了明显的涡激振动,根据简谐力涡激力模型识别了模型气动参数;采用仿真分析评估了SS-PTMD控制桥梁涡激振动的效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到87%;通过风洞试验研究了SS-PTMD涡激振动控制效果,在质量比2%及最大涡振振幅风速条件下的减振效率达到92%;理论分析和试验结果表明,SS-PTMD对桥梁涡激振动具有很好的减振效果。     

基于大涡模拟和Lighthill声类比的孔腔流动发声特性研究

孔腔流动发声是气动声学研究领域重要的课题,基于大涡模拟和Lighthill声类比方法,探讨了气体在孔腔流动的流激噪声的发声特性。模拟结果表明,孔腔边界层出口剪切涡、边棱处涡街和腔体内反馈涡的运动诱导了孔腔发声,具有明显的偶极子特性,在高频段腔体内激发了声学驻波模态。通过模拟与实验对比分析了不同流量下噪声量级以及频谱分布规律,研究结果表明:24 kHz以下的声频谱会表现出波峰小范围迁移;24 kHz以上频率对应的声压级随流量增大而增大;腔体长度和特征频率近似满足Strouher公式,即声频特征频率随腔体长度的增大而减小。上述研究结果为下一步设计在线监测安全阀泄漏的报警超声波发声器提供了理论依据。     

变工况条件下汽轮机高压缸末级气动及强度性能研究

采用单向流固耦合分析方法,对4种抽汽量(0%、8%、15%和20%)工况下的汽轮机高压缸末级气动和强度性能进行了数值研究,获得了末级变工况条件下的气动效率和动叶气动载荷分布。以气动载荷为边界条件,对包含叶顶汽封和叶根结构的末级动叶强度性能进行了分析,揭示了末级动叶的最大应力和变形量随抽汽量的变化规律。结果表明：随着抽汽量增大,高压缸末两级输出功率近似呈线性减小,20%抽汽量工况下末两级输出功率比设计工况(0%抽汽)降低了约44%;末级出口总温逐渐上升,20%抽汽量工况下末级出口总温比设计工况下高约10℃。抽汽量对叶顶和叶根汽封的泄漏特性影响显著,导致变工况时末级总-总等熵效率、反动度和叶栅出口汽流角沿叶高的分布产生变化,尤其是30%叶高以下区域,20%抽汽量时三者较设计工况的最大偏离量分别为3.8%、1.6%和2.4°。在离心力和气动力的作用下,设计工况时末级动叶的最大应力位于T型叶根进汽侧下倒圆处,叶顶最大变形量为0.443 mm,叶片最大应力和最大变形量均随抽汽量的增大近似呈线性减小。     

圆形静压油腔流场特性的PIV实验与数值模拟研究

利用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)和计算流体动力学(CFD)方法,研究了高档数控机床液体静压支承系统中油腔内部的流场特性,包括入口雷诺数(Re)、油腔深度(H)和封油边间隙(h)对油腔内部流场的涡胞结构、壁面压强及剪应力分布等的影响。研究结果表明:实验结果与数值模拟结果相一致;油腔内部存在复杂的涡胞结构;随Re(70~1400)的增大,涡胞数量由1个增加为3个,涡胞尺寸和位置也不断变化;随着油腔深度H从6mm增大到18mm,涡胞尺寸逐渐增大,但涡胞数量减小;随封油边间隙h的增大,涡胞尺寸明显增大;相同条件下,增大入口雷诺数Re或减小封油边高度h都会增大承载面压强和剪应力。该结论为提高数控机床静压油腔的稳定性和承载力提供理论依据。     

350 MW超临界机组汽轮机汽流激振分析及处理

转子振动问题一直是危及机组安全运行的重要因素。分析某350 MW超临界机组出现的振动突增的异常现象,认为发生了汽流激振。在单阀方式运行下,通过调整凝汽器真空、润滑油温度及轴封供汽压力,抑制发生汽流激振的频率。同时,试验研究几种典型因素对于机组振动的影响,分析该机组发生汽流激振的原因。基于试验分析结论,提出切换至顺序阀运行的处理方案,确定合理的阀门开启顺序,优化汽门配汽曲线。最终有效地解决了该机组的汽流激振问题,保障了机组的安全稳定运行。     

高雷诺数下串列圆柱尾流致涡激振动的机理研究

多圆柱之间的气动干扰常导致结构发生尾流激振。为进一步澄清双圆柱之间的气动干扰机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105)研究了串列双圆柱(圆心间距为1.5~4倍直径)的表面风压分布、气动力系数和Strouhal数等气动性能与流场流态之间的内在关系,研究了上、下游圆柱气动力之间的相关性,从平均和瞬态流场角度讨论了气动干扰效应的流场作用机制,建立了下游圆柱的激励力模型并对尾流致涡激振动进行了算例分析。研究结果表明:数值模拟得到的气动性能和流场流态与试验结果吻合较好,说明在高雷诺数下大涡模拟方法能准确模拟双圆柱气动干扰现象;随着间距的增大,串列圆柱依次呈现单一钝体、剪切层再附和双涡脱等三种干扰流态;上、下游圆柱气动力之间的相关性会随着流态的不同出现较大波动,双涡脱流态时的升力相关性最强;单一钝体流态时,两个圆柱间隙中的回流会导致下游圆柱受到负阻力的作用;双涡脱流态时,下游圆柱的脉动升力远大于其他两种流态,也明显大于单圆柱,因而下游圆柱发生尾流致涡激振动的可能性最大。     

近自由表面海流能发电装置VIVACE流激振动的实验研究

实验研究了大雷诺数、小质量比、近自由水面的弹性支撑刚性圆柱流激振动,利用了低湍流度的循环水槽施加不同来流条件,以虚拟弹簧阻尼系统(Vck)测量圆柱的流激振动幅值和频率。研究结果表明:约化速度由低到高,近自由表面处采用被动湍流控制技术(PTC)的圆柱流激振动可分为三个典型区域,分别为涡激振动区、涡激振动向驰振转化区和驰振区;涡激振动发生时,自由表面效应对光滑圆柱涡激振动以及PTC圆柱的流激振动影响不明显;驰振发生时,较大的约化速度对应较高弗劳德数,自由表面对弹性支撑刚性PTC圆柱的流激振动影响逐渐显著。研究成果可为海流能发电装置(VIVACE)提供必要的理论指导和技术支撑。     

流线闭口箱梁涡振过程气动力时频特性演变规律

探究涡振机理是桥梁涡激振动效应评价与控制的重要前提。立足于涡振发展完整过程中多尺度气动力(宏观整体涡激力与局部分布压力)与结构效应同步演变特性分析,从涡激气动力及其对结构行为作用机制角度揭示涡振机理。以典型大跨度桥梁流线型闭口箱梁断面为研究对象,实现了弹性悬挂节段模型同步测力、测振和测压风洞试验,精确获取了整体涡激力时频演变特征。对涡振过程风速关键结点模型表面气动力进行分析,可知箱梁整体涡激力特性在涡振发生前、锁定区上升区、振幅极值点、下降区以及涡振后等不同时期具有明显的变迁历程:上表面下游、下表面下游与下游风嘴转角区域分布气动力对涡激力的贡献、整体涡激力幅值等均与涡振振幅呈正相关关系,与涡振振幅同时达到最大。在锁定区内,涡激力高次谐波成分显著变化。在振幅极值点时,二次谐波成分与基波的比例最小。总之,涡振过程气动力特性与涡振响应同步演化,尤其是上表面下游、下表面与下游风嘴转角附近区域气动力演变特性显著,前者对整体涡激力起主要增强作用,而后者对整体涡激力起主要抑制作用,这些区域气动力是引起涡振的主要原因。