摘要：為提高汽輪機(jī)多級(jí)軸端迷宮密封動(dòng)力學(xué)性能，針對(duì)汽輪機(jī)兩級(jí)軸端交錯(cuò)齒迷宮密封，開(kāi)展了具有前置凸臺(tái)的新型防旋板結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和止旋抑振性能評(píng)估。首先，針對(duì)兩級(jí)軸端交錯(cuò)齒迷宮密封，設(shè)計(jì)了一級(jí)和兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板、一級(jí)和兩級(jí)前置凸臺(tái)新型防旋板等動(dòng)密封防旋板結(jié)構(gòu)方案，并建立了具有“虛擬旁路邊界”的有、無(wú)防旋板多級(jí)交錯(cuò)齒迷宮密封動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多級(jí)動(dòng)密封進(jìn)口壓力場(chǎng)和高預(yù)旋速度場(chǎng)的精準(zhǔn)模擬；然后，采用基于多頻橢圓軌跡渦動(dòng)模型的動(dòng)密封氣流激振動(dòng)力學(xué)特性（CFD）攝動(dòng)數(shù)值預(yù)測(cè)方法，對(duì)比分析了無(wú)防旋板、傳統(tǒng)防旋板和新型前置凸臺(tái)防旋板作用下，兩級(jí)交錯(cuò)齒迷宮密封泄漏特性和氣流激振動(dòng)力學(xué)特性；最后，通過(guò)分析不同防旋板結(jié)構(gòu)方案下，兩級(jí)交錯(cuò)齒迷宮密封腔室旋流發(fā)展、腔室速度場(chǎng)和動(dòng)態(tài)壓力分布、轉(zhuǎn)子面氣流激振力，闡明了防旋板的止旋抑振機(jī)制。結(jié)果表明：無(wú)防旋板的迷宮密封具有最低的泄漏量，一級(jí)傳統(tǒng)防旋板或一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的設(shè)置會(huì)使密封齒數(shù)減少，導(dǎo)致密封泄漏量增加約4.5%；相比于一級(jí)防旋板，具有兩級(jí)防旋板的迷宮密封泄漏量增加約5.5%；相比于傳統(tǒng)防旋板，前置凸臺(tái)防旋板可減小交叉剛度、增大有效阻尼；相比于一級(jí)防旋板，兩級(jí)防旋板可減小高渦動(dòng)頻率下的交叉剛度、增大直接阻尼，進(jìn)而提高密封的有效阻尼；在傳統(tǒng)防旋板的基礎(chǔ)上設(shè)置前置凸臺(tái)可提升防旋板的止旋性能，且兩級(jí)防旋板可有效抑制密封下游區(qū)域的旋流發(fā)展，能顯著提升迷宮密封動(dòng)力學(xué)性能、抑制汽輪機(jī)軸系振動(dòng)失穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：迷宮密封；泄漏特性；動(dòng)力學(xué)特性；防旋板

中圖分類(lèi)號(hào)：TK262 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202406006 文章編號(hào)：0253-987X（2024）06-0053-12

Study on Rotordynamic Characteristics of the Staggered-Tooth Labyrinth

Seal Mounting Anti-Swirl Brake with Upstream Rotor-Step in Steam Turbines

YIN Ge1， HUANG Biao2， HUANG Xinchang1， SHAO Feng1， ZHANG Zihan3， LI Zhigang3

（1. Nanjing Electric Power Experimental Research Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China; 2. Dongfang Turbine Co.，

Ltd.， Deyang， Sichuan 618000， China; 3. Institute of Turbomachinery， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：To improve the dynamic performance of multi-stage labyrinth seal on turbine shaft， the structure design and performance evaluation of anti-swirl and vibration suppression are proposed for a new type of anti-swirl brake with upstream rotor-step in two-stage labyrinth seal with staggered teeth. Firstly， four types of anti-swirl brakes for two-stage staggered-tooth labyrinth seal are designed in this paper. In addition， a dynamic calculation model of labyrinth seal with “virtual bypass boundary” is established to achieve accurate simulation in the pressure field and high swirl velocity field. Then， a transient computational fluid dynamic CFD-based perturbation method based on the multiple-frequency elliptical-orbit rotor whirling model is adopted to analyze the leakage characteristics and dynamic characteristic coefficients of labyrinth seal with various anti-swirl brakes. Finally， the performance of anti-swirl and vibration suppression is elucidated by analyzing swirl velocity development， velocity field and dynamic pressure distribution of labyrinth seal. The results show that the labyrinth seal without anti-swirl brake has the lowest leakage， and the addition of the one-stage traditional anti-swirl brake or the one-stage anti-swirl brake with upstream rotor-step will reduce the number of seal teeth， resulting in the increase of seal leakage （by about 4.5%）. Compared with the one-stage anti-swirl brake， the two-stage anti-swirl brake can further increase the leakage by 5.5%. Compared with the traditional anti-swirl brake， the swirl brake with upstream rotor-step can decrease cross-coupled stiffness and increase the effective damping. Compared with the one-stage anti-swirl brake， the cross-coupled stiffness of two-stage anti-swirl brake can be further reduced and the direct damping can be increased， so the effective damping can be significantly increased. Installing the upstream rotor-step on the basis of the traditional anti-swirl brake can improve the anti-swirl performance and two-stage anti-swirl brake can effectively suppress the development of swirl in the downstream of the seal. The research results show that compared with the one-stage anti-swirl brake， the multi-stage anti-swirl brake has better performance of improving the dynamic characteristics and suppressing the vibration.

Keywords：labyrinth seal; leakage characteristic; rotordynamic characteristic; swirl brake

環(huán)形氣體密封是渦輪機(jī)械中的必要部件，主要用于阻止工作流體從高壓區(qū)域泄漏到低壓區(qū)域，是保證渦輪機(jī)械效率的必要條件。迷宮密封是最為常見(jiàn)的環(huán)形氣體密封類(lèi)型，其廣泛應(yīng)用于渦輪機(jī)和壓縮機(jī)［1-2］，具有簡(jiǎn)單可靠，并能承受較大的熱變化和壓力變化的優(yōu)點(diǎn)。就動(dòng)力學(xué)特性而言，迷宮密封具有負(fù)的有效阻尼和較大的正交叉剛度，不利于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定［3］，因此在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，對(duì)迷宮密封動(dòng)力特性系數(shù)的預(yù)測(cè)尤為重要，而目前主要采用Bulk-Flow方法［4-5］和三維數(shù)值方法［6-7］來(lái)計(jì)算其泄漏特性和轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性。

不同于阻尼密封，迷宮密封對(duì)周向旋流的抑制作用較差，而由于密封進(jìn)口預(yù)旋和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，迷宮密封內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的周向旋流，會(huì)顯著增大密封交叉剛度［8］。目前已有大量研究分析了入口預(yù)旋對(duì)迷宮密封動(dòng)力學(xué)特性的影響，Childs等［9］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了迷宮密封的動(dòng)力學(xué)系數(shù)，結(jié)果表明迷宮密封的交叉剛度高度依賴(lài)于入口預(yù)旋。陳堯興等［10］通過(guò)多頻渦動(dòng)的方法數(shù)值研究了3種入口預(yù)旋比0.2、0.5、0.7下迷宮密封的動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果表明，當(dāng)入口預(yù)旋比增加時(shí)，密封上游的周向旋流增加幅度大于下游，且偏心渦動(dòng)下的周向壓力分布不均勻性隨預(yù)旋比增加而顯著增強(qiáng)。為了探究負(fù)預(yù)旋對(duì)迷宮密封性能的影響，Li等［11］數(shù)值研究了負(fù)預(yù)旋工況下迷宮密封的動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果表明，對(duì)于迷宮密封而言，負(fù)預(yù)旋在整個(gè)激勵(lì)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生了負(fù)的交叉剛度和正的有效阻尼，有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。

上述研究可知，正入口預(yù)旋的存在會(huì)增大密封交叉剛度，不利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，而目前抑制密封入口預(yù)旋的方法主要有安裝防旋板或旋流控制裝置［12］，旋流控制裝置雖然可以有效降低入口預(yù)旋，但其安裝復(fù)雜，且會(huì)引入額外的泄漏流，降低透平效率［13-14］。防旋板是一系列設(shè)置在密封入口的葉片，用于抑制進(jìn)口渦流，可以在保證密封封嚴(yán)性能的前提下提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性［15-16］。Iwasaki等［17］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了有、無(wú)入口防旋板時(shí)迷宮密封的流體激振力，結(jié)果表明，防旋板的存在可以降低約70%的渦流速度和失穩(wěn)力。Nielsen等［18］數(shù)值研究了3種轉(zhuǎn)速、預(yù)旋下流線(xiàn)型、非流線(xiàn)型兩種類(lèi)型防旋板的防旋性能和動(dòng)力學(xué)特性，結(jié)果表明，非流線(xiàn)型防旋板在低轉(zhuǎn)速下具有更優(yōu)的防旋性能和更低的交叉剛度，而流線(xiàn)型防旋板在高轉(zhuǎn)速、高預(yù)旋條件下具有更好的防旋性能和更低的交叉剛度。Wilkes等［19］通過(guò)試驗(yàn)的方法測(cè)試了開(kāi)槽式、長(zhǎng)葉片和短葉片這3種不同結(jié)構(gòu)防旋板的防旋性能，結(jié)果表明，開(kāi)槽式密封具有最優(yōu)的防旋性能，短葉片次之，長(zhǎng)葉片最差。除防旋板自身結(jié)構(gòu)外，其安裝的位置也會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生影響，Chen等［20］分析了入口防旋板尾緣與密封第一齒的軸向距離對(duì)防旋性能的影響，當(dāng)防旋板抵靠第一個(gè)密封齒時(shí)具有最優(yōu)的防旋性能。薛文松等［21］在傳統(tǒng)防旋板的基礎(chǔ)上，在密封中游腔室添加了第二級(jí)防旋板，結(jié)果表明，添加第二級(jí)防旋板可以顯著降低密封下游的旋流速度、降低交叉剛度、增加直接阻尼，有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。上述研究可知，防旋板可以有效抑制旋流發(fā)展、提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且防旋板結(jié)構(gòu)和位置的變化也會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生影響。此外，流體流經(jīng)密封間隙區(qū)域時(shí)，由于密封轉(zhuǎn)子面高速旋轉(zhuǎn)，流體近轉(zhuǎn)子面旋流速度通常較大，而目前的渦流制動(dòng)器結(jié)構(gòu)均為定子齒配置，這種結(jié)構(gòu)不利于抑制渦流制動(dòng)器葉片間隙區(qū)域的近轉(zhuǎn)子面旋流。

基于上述研究，本文設(shè)計(jì)了一種具有前置凸臺(tái)防旋板的渦流制動(dòng)器，目的是通過(guò)前置凸臺(tái)抬高原本通過(guò)間隙區(qū)域的流體，使其進(jìn)入防旋板作用區(qū)域，更好地抑制旋流。此外，汽輪機(jī)軸端密封往往具有較大的軸向長(zhǎng)度，為了更好地抑制中下游旋流發(fā)展，本文在密封中游位置設(shè)計(jì)了第二級(jí)防旋板用以抑制下游旋流發(fā)展。同時(shí)，為了分析上述防旋板結(jié)構(gòu)的性能，應(yīng)用基于多頻橢圓軌跡轉(zhuǎn)子渦動(dòng)模型的非定常CFD攝動(dòng)方法［7］，計(jì)算了無(wú)防旋板、帶有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板、兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板、一級(jí)和兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的交錯(cuò)齒迷宮密封的泄漏特性以及動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)比較預(yù)測(cè)結(jié)果研究了防旋板結(jié)構(gòu)對(duì)泄漏量、動(dòng)力特性系數(shù)、腔室旋流發(fā)展和流體激振力的影響規(guī)律。

1 計(jì)算模型與數(shù)值預(yù)測(cè)方法

1.1 計(jì)算模型

為了提高兩級(jí)軸端交錯(cuò)齒迷宮密封的動(dòng)力學(xué)性能，本文在無(wú)防旋板迷宮密封的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板、兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板、一級(jí)和兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的迷宮密封，具體幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4種類(lèi)型的防旋板具有相同的防旋板葉片結(jié)構(gòu)和分布，其幾何結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。上述迷宮密封的幾何參數(shù)和運(yùn)行工況如表1所示。對(duì)于具有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板和一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的迷宮密封，需替換密封件1入口處的兩處密封齒，用以安裝防旋板；而對(duì)于具有兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板和兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的迷宮密封，需進(jìn)一步替換密封件2入口處的兩處密封齒，計(jì)算模型和網(wǎng)格如圖3所示。

為了準(zhǔn)確模擬密封入口處的壓力場(chǎng)和高預(yù)旋速度場(chǎng)，本文在密封進(jìn)口延伸段設(shè)置了虛擬旁路邊界，如圖4所示。圖4中“進(jìn)口”位置是速度邊界條件，用于準(zhǔn)確給定入口預(yù)旋，“旁路出口”位置是壓力邊界條件，用來(lái)設(shè)置密封入口壓力。“虛擬旁路邊界”數(shù)值模型已經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，具體可參考文獻(xiàn)［22-23］。

1.3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)模型和瞬態(tài)CFD方法，給出了某定子齒迷宮密封［25］在兩種轉(zhuǎn)速7000、15000r/min以及3種預(yù)旋0、0.5、1.0下有效阻尼的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)值和數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果，如圖7所示。由圖7可知，3種工況下的旋轉(zhuǎn)模型和瞬態(tài)CFD方法具有很高的精度，預(yù)測(cè)誤差可能歸因于試驗(yàn)和CFD之間密封入口處的不同速度、壓力分布。

此外，為了排除網(wǎng)格密度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，針對(duì)14齒迷宮密封，設(shè)計(jì)了3種節(jié)點(diǎn)數(shù)為6.2×106（網(wǎng)格1）、7.9×106（網(wǎng)格2）、9.1×106（網(wǎng)格3）的網(wǎng)格并比較了其對(duì)有效阻尼的預(yù)測(cè)結(jié)果，3種網(wǎng)格預(yù)測(cè)的有效阻尼幾乎一致。因此，對(duì)于本文無(wú)防旋板的兩級(jí)軸端交錯(cuò)齒迷宮密封（23齒），最終確定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1.1×107（齒間隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為13）；對(duì)于帶有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板和一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的迷宮密封（21齒），最終確定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1.4×107（齒間隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為13），對(duì)于帶有兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板和兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的迷宮密封（19齒），最終確定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1.6×107（齒間隙網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為13）。

2 結(jié)果和討論

2.1 防旋板對(duì)泄漏特性的影響

為了研究防旋板對(duì)迷宮密封泄漏特性的影響，本節(jié)分析比較了無(wú)防旋板的迷宮密封（λ=0， 0.5）和帶有上述4種防旋板方案的迷宮密封（λ=0.5）的泄漏量，5種迷宮密封結(jié)構(gòu)的泄漏量預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示。無(wú)防旋板的迷宮密封具有最低的泄漏量，且對(duì)入口預(yù)旋的變化不敏感，當(dāng)入口預(yù)旋比由0增加到0.5時(shí)泄漏量變化幅度小于0.5%；相比于無(wú)防旋板的迷宮密封，一級(jí)防旋板（傳統(tǒng)防旋板或前置凸臺(tái)防旋板）的加入會(huì)使密封泄漏量增加約4.5%，這是由于在密封入口區(qū)域加入防旋板會(huì)替換掉入口的兩處密封齒，導(dǎo)致密封的封嚴(yán)性能降低，泄漏量增大；前置凸臺(tái)對(duì)密封泄漏量的影響很小，帶有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板的迷宮密封和帶有一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板的迷宮密封的泄漏量相差小于0.5%；相比于一級(jí)防旋板，帶有兩級(jí)防旋板的迷宮密封泄漏量進(jìn)一步增加約5.5%，這是由于第二級(jí)防旋板需替換密封件2入口處的兩處密封齒導(dǎo)致的。

2.2 防旋板對(duì)動(dòng)力學(xué)特性的影響

為了探究防旋板對(duì)迷宮密封動(dòng)力學(xué)特性的影響，兩種預(yù)旋比λ=0， 0.5下無(wú)防旋板迷宮密封的動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算結(jié)果和λ=0.5時(shí)帶有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板的迷宮密封動(dòng)力學(xué)特性計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：迷宮密封的動(dòng)力特性系數(shù)表現(xiàn)出明顯的頻率相關(guān)性，在本文所關(guān)注的渦動(dòng)頻率范圍內(nèi)，直接剛度Kxx恒為負(fù)值且隨渦動(dòng)頻率f增大而減?。唤徊鎰偠菿xy和直接阻尼Cxx則隨渦動(dòng)頻率的增大而增大；對(duì)于無(wú)防旋板的迷宮密封，預(yù)旋的存在會(huì)減小迷宮密封的有效阻尼，特別是在低頻區(qū)域內(nèi)（flt;25Hz）降幅十分顯著，當(dāng)λ=0時(shí)，有效阻尼Ceff恒為正，而在高預(yù)旋λ=0.5的工況下，有效阻尼在低頻時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，這是由交叉剛度的變化導(dǎo)致的：交叉剛度隨預(yù)旋比的增大而增大，而直接阻尼則對(duì)預(yù)旋的變化不敏感，導(dǎo)致密封的有效阻尼顯著減小，降低了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性；λ=0.5時(shí)，在密封入口區(qū)域加裝傳統(tǒng)防旋板會(huì)使密封的直接阻尼減小，但也會(huì)更大程度地降低密封的交叉剛度，進(jìn)而提高密封的有效阻尼，同時(shí)使穿越頻率減小約24Hz，提高了轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作的范圍。

在高預(yù)旋λ=0.5工況下，帶有4種類(lèi)型防旋板的迷宮密封動(dòng)力特性系數(shù)隨渦動(dòng)頻率的變化曲線(xiàn)如圖9所示。可知在一級(jí)傳統(tǒng)防旋板的基礎(chǔ)上加裝前置凸臺(tái)對(duì)直接剛度和直接阻尼影響較小，但會(huì)使密封的交叉剛度減小約17.6%，進(jìn)而提高有效阻尼，同時(shí)使穿越頻率減小約4Hz，提高了轉(zhuǎn)子穩(wěn)定工作的范圍；此外，相比于一級(jí)防旋板，兩級(jí)防旋板可以顯著增大密封的直接阻尼，并減小高渦動(dòng)頻率下的交叉剛度，進(jìn)而增大密封有效阻尼，有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，相比于一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板，兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板可以使密封的交叉剛度進(jìn)一步降低約23.1%，直接阻尼增大約18.7%，進(jìn)而顯著提高有效阻尼，且在本文所關(guān)注的渦動(dòng)頻率范圍內(nèi)，有效阻尼恒為正。

研究表明，在迷宮密封入口處加裝防旋板可以顯著地減小密封的交叉剛度，增大有效阻尼，有利于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性；此外，相比于傳統(tǒng)防旋板，前置凸臺(tái)防旋板可以使交叉剛度進(jìn)一步減小，增大有效阻尼；相比于一級(jí)防旋板，兩級(jí)防旋板可以顯著增大密封的直接阻尼，并減小高渦動(dòng)頻率下的交叉剛度，有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。4種類(lèi)型防旋板結(jié)構(gòu)中，兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板具有最優(yōu)的動(dòng)力學(xué)特性，一級(jí)傳統(tǒng)防旋板最差。

2.3 防旋板對(duì)腔室旋流發(fā)展的影響

試驗(yàn)和數(shù)值研究證實(shí)，密封腔內(nèi)的流體旋流速度是確定密封交叉剛度的重要參數(shù)之一，較大的旋流速度會(huì)增加交叉剛度，降低轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了分析防旋板對(duì)迷宮密封影響的內(nèi)在機(jī)理，本節(jié)分析了高預(yù)旋工況下圖1所示的5種密封方案的間隙平均旋流比（間隙平均周向速度與轉(zhuǎn)子表面速度之比）沿軸線(xiàn)的變化關(guān)系，如圖10所示。對(duì)于無(wú)防旋板的迷宮密封，間隙內(nèi)的平均旋流比始終維持在0.5附近波動(dòng)，而對(duì)于帶有防旋板的迷宮密封，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)防旋板區(qū)域時(shí)，其旋流比由0.5降低到低于0.1，可知防旋板可以有效抑制密封周向旋流的發(fā)展；此外，相比于一級(jí)傳統(tǒng)防旋板，一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板可以進(jìn)一步降低密封上游區(qū)域的周向旋流速度，但對(duì)下游區(qū)域旋流速度的影響很小；兩級(jí)防旋板由于在密封中游 （z=0.1m）加裝了額外的防旋板，可以有效降低密封下游區(qū)域的旋流速度，且兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板具有比兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板更強(qiáng)的旋流抑制作用。

密封結(jié)構(gòu)上游和下游區(qū)域子午面的旋流比云圖如圖11、圖12所示，可知：相比于無(wú)防旋板的迷宮密封，帶有防旋板的密封結(jié)構(gòu)在整個(gè)上游區(qū)域具有更低的旋流速度，且在防旋板區(qū)域具有負(fù)的旋流比；前置凸臺(tái)防旋板具有比傳統(tǒng)防旋板更優(yōu)的止旋性能；在密封上游區(qū)域，兩級(jí)防旋板的止旋性能與同類(lèi)型的一級(jí)防旋板相似，但可以大幅降低密封下游的旋流速度。

為了分析前置凸臺(tái)防旋板止旋性能強(qiáng)于傳統(tǒng)防旋板的原因，以一級(jí)防旋板為例，給出了防旋板區(qū)域子午面和其中部周向區(qū)域的的旋流比分布云圖和流線(xiàn)圖，如圖13所示。

由圖13可知：當(dāng)流體經(jīng)過(guò)防旋板區(qū)域時(shí)，會(huì)在防旋板一側(cè)形成反向漩渦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其抑制周向旋流的作用；在防旋板上游區(qū)域加裝凸臺(tái)可進(jìn)一步擴(kuò)大反向漩渦的作用范圍，提高漩渦的旋流速度，這是因?yàn)榍爸猛古_(tái)可以有效抬高來(lái)流，使更多的流體進(jìn)入防旋板區(qū)域，進(jìn)而充分發(fā)揮防旋板的止旋功能。

上述研究表明，在傳統(tǒng)防旋板的基礎(chǔ)上加裝前置凸臺(tái)可以進(jìn)一步提高防旋板的止旋性能，與一級(jí)防旋板相比，兩級(jí)防旋板可以有效抑制密封下游區(qū)域的旋流發(fā)展。與防旋板的動(dòng)力學(xué)性能相對(duì)應(yīng)，4種類(lèi)型防旋板結(jié)構(gòu)中，兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板具有最優(yōu)的止旋性能。

2.4 防旋板對(duì)流體激振力的影響

沿x、y方向流體激振力Fx、Fy的時(shí)域和頻域變化曲線(xiàn)如圖14、圖15所示。由圖可知：對(duì)于Fx，5種密封方案在各頻率下的幅值相差不大（小于11%），這說(shuō)明防旋板的加入并不會(huì)對(duì)沿渦動(dòng)長(zhǎng)軸的流體激振力分量造成顯著影響；對(duì)于Fy，防旋板的加入使各頻率下的激振力分量顯著下降，這說(shuō)明防旋板有助于減小渦動(dòng)短軸方向上的流體激振力。

相同渦動(dòng)時(shí)刻下，5種密封方案周向截面上的動(dòng)壓云圖分布和轉(zhuǎn)子面激振力矢量如圖16所示。圖中周向截面位置取在密封下游中部（z=153mm），時(shí)間t=0.2s，此時(shí)轉(zhuǎn)子中心位于x軸正半軸上，具有x方向最大的渦動(dòng)位移，渦動(dòng)速度指向y軸正方向，其位置如圖5中的P點(diǎn)。動(dòng)壓指代該時(shí)刻的密封壓力與穩(wěn)態(tài)工況下相同位置的密封壓力之差，反映壓力變化幅值，F(xiàn)r、Ft分別為流體激振力F的徑向和切向分力。5種密封流體激振力的徑向分量Fr與轉(zhuǎn)子位移方向相同，不利于轉(zhuǎn)子聚中，這與迷宮密封的直接剛度K為負(fù)值有關(guān)。與無(wú)防旋板的迷宮密封相比，防旋板的加入會(huì)使徑向流體激振力Fr降低16.4%～26.5%，這說(shuō)明防旋板的加入有助于提高密封的轉(zhuǎn)子聚中能力。

流體激振力的切向分量Ft在不同防旋板結(jié)構(gòu)下的變化更為明顯。對(duì)于無(wú)防旋板的迷宮密封，切向流體激振力Ft與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)速度方向相同，這會(huì)促進(jìn)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)，不利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定，而防旋板的加入則會(huì)改變切向流體激振力的方向，使其與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)方向相反，抑制轉(zhuǎn)子渦動(dòng)；此外，在4種防旋板結(jié)構(gòu)中，兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板具有最大的與渦動(dòng)速度方向相反的切向流體激振力，一級(jí)傳統(tǒng)防旋板最小。切向流體激振力Ft與有效阻尼的變化規(guī)律一致，F(xiàn)t越大，密封的有效阻尼越大，越有利于轉(zhuǎn)子穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

本文基于李志剛等提出的瞬態(tài)模型，使用CFD方法，計(jì)算了無(wú)防旋板、帶有一級(jí)傳統(tǒng)防旋板、兩級(jí)傳統(tǒng)防旋板、一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板和兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板迷宮密封的泄漏特性、動(dòng)力學(xué)特性、腔室旋流發(fā)展和流體激振力，可得如下結(jié)論。

（1）無(wú)防旋板的迷宮密封具有最低的泄漏量，且對(duì)入口預(yù)旋的變化不敏感；加入一級(jí)傳統(tǒng)防旋板或一級(jí)前置凸臺(tái)防旋板使密封泄漏量增加約4.5%；相比于一級(jí)防旋板，帶有兩級(jí)防旋板的迷宮密封泄漏量進(jìn)一步增加約5.5%。

（2）在迷宮密封入口處加裝防旋板可以有效抑制旋流發(fā)展并改變切向流體激振力方向，使其與轉(zhuǎn)子渦動(dòng)速度相反，同時(shí)提高密封的交叉剛度，增大有效阻尼；相比于傳統(tǒng)防旋板，前置凸臺(tái)防旋板可以減小交叉剛度（約17.6%～35.4%），增大有效阻尼；且相比于一級(jí)防旋板，兩級(jí)防旋板可以減小高渦動(dòng)頻率下的交叉剛度 ，增大直接阻尼 （約17.0%～18.7%）。此外，添加前置凸臺(tái)或第二級(jí)防旋板均可以提升密封的止旋性能。

（3）兩級(jí)前置凸臺(tái)防旋板可以很好地結(jié)合前置凸臺(tái)和第二級(jí)防旋板的優(yōu)勢(shì)，本文4種防旋板具有最優(yōu)的止旋性能、最低的交叉剛度和最大的直接阻尼，對(duì)于汽輪機(jī)軸端密封而言，多級(jí)前置凸臺(tái)防旋板結(jié)構(gòu)方案是抑制汽輪機(jī)軸系振動(dòng)失穩(wěn)的最佳選擇。

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（編輯 趙煒）