汽轮机汽流激振CFD数值分析和转子动力稳定性的研究.pdf

摘要汽轮机汽流激振CFD数值分析与转子动力稳定性研究摘要汽流激振导致的轴系失稳是现代汽轮发电机组的重要故障。对复杂轴系汽流激振的计算分析和主激振力部位认定是故障消除的关键,也是当今理论难题。 putational Fluid Dynamics,CFD)计算方法,确定相关因素对求解精度的影响规律;研究能够精准确定汽流激振故障域的方法。论文首先在旋转坐标系中,建立涡动转子一迷宫密封流体动力学模型,将非定常流动问题转化为定常问题,采用通用CFD软件FLUENT求解三维转子偏心状态的密封流场,计算结果与实验吻合较好;同时计算比较了壁面函数法和增强壁面函数法对于粘性为主的低雷诺数区(近壁面区)流动的处理效果。结果表明:增强壁面函数法能在计算网格增加较少的情况下,显著地提高流体切向速度的计算精度。在转子小轨迹涡动条件下,根据激振力与转子轴心位移和速度的线性关系,建立涡动转子一迷宫密封转子动力学模型,确定迷宫密封动特性系数的计算公式;同时研究了迷宫密封入口上游区和出口下游区模化对动特性计算精度的影响,发现上游区的模化能正确模拟密封入口的压力损失提高计算精度,而下游区的模化尽管正确模拟了压力恢复效应,但对结果影响不明显,对迷宫密封模化时可适当减小下游区尺寸,缩短计算机时。本文还对迷宫密封动特性进行了参数影响研究,计算分析迷宫密封几何参数(问隙、齿数等)和运行参数(入口预旋速度、转速、压差等)变化对交叉刚度、直接阻尼的影响规律。为了提高迷宫密封动特性系数计算精度,研究了利用CFD求解迷宫密封上游区入口截面流体参数摄动解的计算方法,并用摄动法推导流体参数沿密封圆周方向的变化规律函数。应用UDF编程将摄动解描述的流体参数沿圆周变化的公式集成到FLUENT中,设定迷宫密封上游区入口截面的边界条件,提高了对迷宫密封交叉刚度和直接阻尼的计算精度。汽轮机转子涡动时,轴心偏离静子中心产生导致振动失稳的叶顶间隙激振力,传统的 Thomas/Alford汽流激振力公式对此不能全面准确评估。本文在动叶通道,根据蒸汽做功原理分析转子涡动效应产生的叶项激振力;在叶顶围带密封,用CFD数值模拟泄漏蒸汽三维粘性流场,确定蒸汽激振力。计算结果表明:小的静偏心和涡动半径条件下,在动叶通道,转子涡动效应能诱发与 Thomas/Alford力相同数量级的激振力;围带密封的汽流预旋速度对间隙激振力有重要影响;调门不对称迸汽也是蒸汽激振力的一个重要来源。论文最后对一台发生了汽流激振典型故障的工业汽轮机进行了详细的转子动力特性计算分析, 结合现场振动测试分析和故障诊断,应用CFD技术分析轴系中汽流激振力的量级和分布规律;将密封与油膜动特性系数一起作为边界条件进行多自由度转子一轴承一密封系统稳定性计算,确定了汽流激振故障源。关键词:汽流激振;计算流体动力学;迷宫密封;动特性;叶顶间隙激振;转子稳定性;转子涡动东南大学博j:学位论文 CFD NumeHcal Analysis ofSteam Excited Vibration inSteam Turbine and Rotordynamic StabilityStudy Abstract The Rotor instability induced by fluiddynamic ismian ’s critical to identify thedominate source offlow exciting forcetoeliminate thefailures,which atheoritiepuzzles. oals ofthis research were toanalyze therotordynamic forceinlabyrinth sealsandblade tip withthree-dimensional CFD program andstudy thecorrelativefactors toimprove theprediction precision;and findthe method toidentifythe source oftroubleexactly. The flowfieldinside awhirlingIabyrinth seal inherently ,for acentered sealthe whirling,unsteady problem transformed into asteady one bysolving thethree-dimensional,eccentric flowfield intheframe ofreferebecattached s