超临界二氧化碳涡轮升速过渡中密封-转子系统的动力学行为

doi:10.7527/S1000-6893.2024.28652

固体力学与飞行器总体设计

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超临界二氧化碳涡轮升速过渡中密封-转子系统的动力学行为

司和勇, 王瑶俐, 曹丽华, 陈东超()

东北电力大学能源与动力工程学院，吉林　132012

收稿日期:2023-03-06 修回日期:2023-04-14 接受日期:2023-05-04 出版日期:2023-05-09 发布日期:2023-05-09
通讯作者: 陈东超 E-mail:cdc@neepu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52206004)

Dynamic behavior of seal-rotor system in a supercritical carbon dioxide turbine during acceleration transition

Heyong SI, Yaoli WANG, Lihua CAO, Dongchao CHEN()

School of Energy and Power Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin 　132012，China

Received:2023-03-06 Revised:2023-04-14 Accepted:2023-05-04 Online:2023-05-09 Published:2023-05-09
Contact: Dongchao CHEN E-mail:cdc@neepu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52206004)

摘要/Abstract

摘要：

超临界二氧化碳涡轮密封的气动特性与转子运动存在强耦合关系。在变转速运行时，密封-转子系统的动力学特性会发生不确定的变化。基于动力学方程建立密封-转子非线性涡动模型的用户自定义函数，实现密封流场仿真与转子动力学的同步耦合分析，得到转子升速过程中密封的气动特性和转子运动特征，揭示升速时密封-转子系统的动力学特性演变规律。研究结果表明：自转速度增加使转子涡动中心在进动方向发生横向偏移，涡动半径逐渐扩大。转子涡动中心先下沉后抬升。升转速过程中密封动力系数具有显著的波动，高频范围内刚度的绝对值较大，阻尼的绝对值较小，有效阻尼具有较大的波动，密封稳定性降低。低转速运行区间，直接刚度和交叉刚度具有显著的高频波幅。高转速区间，直接阻尼具有显著的低频波幅。转速升高使有效阻尼的波动逐渐向高频迁移。在200 Hz附近，有效阻尼具有较高的幅值和集中分布。

关键词: 超临界二氧化碳, 密封-转子系统, 非线性涡动, 升速过程, 动力学行为

Abstract:

There is a strong coupling relationship between the seal aerodynamic characteristics and rotor motion of supercritical carbon dioxide turbine. The dynamic characteristics of the seal-rotor system undergo uncertain changes in rotor acceleration transition. The user-defined function of the seal-rotor nonlinear whirling model was established based on dynamic equations， which enables the synchronous coupling analysis of seal flow field simulation and rotor dynamics. The seal aerodynamic characteristics and the rotor motion characteristics during the rotor acceleration transition were obtained， and the evolution law of the dynamic characteristics of the seal-rotor system was revealed. The results show that， with the increasing of rotation speed， the rotor whirling center moves laterally in the precession direction， and the whirling radius increases gradually. The rotor whirling center sinks first and then rises. The seal dynamic coefficients fluctuate significantly in the process of rotor acceleration transition. The absolute value of stiffness is large in the high-frequency range， and the absolute value of damping is small. The effective damping has a large fluctuation， and the seal stability is reduced. In the low-speed operation range， the direct stiffness and cross stiffness have significant high-frequency amplitude. In high-speed range， the direct damping has prominent low-frequency amplitude. The increasing of rotation speed makes the fluctuation of effective damping gradually migrate to high frequency. The effective damping has higher amplitude and concentrated distribution around 200 Hz.

Key words: supercritical carbon dioxide, seal-rotor system, nonlinear whirl, acceleration transition, dynamic behavior

中图分类号:

V211.3

司和勇, 王瑶俐, 曹丽华, 陈东超. 超临界二氧化碳涡轮升速过渡中密封-转子系统的动力学行为[J]. 航空学报, 2024, 45(2): 228652-228652.

Heyong SI, Yaoli WANG, Lihua CAO, Dongchao CHEN. Dynamic behavior of seal-rotor system in a supercritical carbon dioxide turbine during acceleration transition[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(2): 228652-228652.

图/表 14

图 1

表 1

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参考文献 31

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
转子半径/mm	153
静子半径/mm	158
入口宽度/mm	4
出口宽度/mm	3
密封齿高/mm	4.8
密封齿宽/mm	2
齿顶间隙/mm	0.2
第1层网格高度/mm	0.01
工质属性	NIST REFPROP变物性
转子壁面	公转频率（20~350 Hz）；自转速度（3 000~21 000 r/min）
静子壁面	静止
入口参数	13.5 MPa/769 K
出口参数	12.09 MPa
壁面函数	Scalable wall functions
湍流模型	Standard k-ε
时间步长/s	0.000 1 （Runge-Kutta步长）
时间节点数	18 000
残差标准	10^-4

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