[发明专利]叶轮机械中密封系统实时可控反旋流减振装置

说明书

技术领域：

本发明是一种叶轮机械中密封系统实时可控反旋流减振装置，其主要作用是降低转子密封系统或叶片的振动，主要应用在压缩机、汽轮机、燃汽轮机和涡轮泵等工业旋转机械上。

背景技术：

近年来，石化成套装备及发电机组向大型化、连续化和高效化方向发展，因此其核心设备压缩机、汽轮机、燃气轮机等旋转机械也向着高负荷、高转速、高效率的方向发展。但在发展的过程中，机组介质压力的不断提升与密封间隙的不断降低成为一对矛盾，所产生的密封流体激振问题也凸显出来，成为影响机组安全运行的主要因素之一。

通常密封流体气流激振发生在高速旋转的转子与定子小间隙处，可以造成转轴的振动，也可以造成叶片的振动。其主要原因是气流以很大的速度进入密封腔内，在转子或叶片的带动下必然会产生一定的周向速度，气体在密封腔内形成螺旋流动；同时转子或叶片在进动中径向间隙随时间不断变化，因此转子或叶片周围形成了不均匀分布的激振力，当激振力达到或超过一定值时，就会使转子或叶片产生强烈的振动。叶片的振动除以上原因外还有尾迹流激振、自激振、随机激振等等。

现有解决密封流体激振的主要方法有被动控制法与主动控制法。被动控制如使用蜂窝密封等；主动控制如反旋流法，主要原理为引入外加流体，破坏产生的激振涡流，达到减振的目的。

目前的反旋流技术是将压缩机、汽轮机末级叶轮出口排气管中的部分高压气流，在内部直接导入密封入口的前几个齿腔内，形成一股反向旋转的高压气流，以抵消气流在迷宫腔内的周向分速度。但反旋流的喷入量不能根据需要进行调节，有可能因喷入量过多反而加剧振动，还有可能因喷入量不足而不能有效抑制振动。

另外，国内外学者也对反旋流进行了一定的实验研究，如1994年浙江大学沈庆根等人报道了几种反旋流环的设计(《迷宫密封中的气流激振及其反旋流措施》，流体机械1994年第22卷第7期第7～12页)，何立东等人在《转子密封系统流体激振及其减振技术研究简评》(振动工程学报1999年第12卷第1期第64～72页)中给出反旋流喷口处的装置图(见其70页图8)，这些文章中提到的反旋流技术与现有技术相同，只是在迷宫腔内喷入一股与原气流旋转方向相反的气流，以抵消腔内流体的周向运动。但仅仅将高压气流直接喷入密封腔内来抵消气流在迷宫密封腔的周向分速度不一定能减小振动，因为喷射气流的压力或流量是定值，其大小不一定适合需要；另外当机组转速或负荷变化时，激振力的大小也会随之变化，但喷入气流的压力或流量却不随之变化，所以使用同一喷射压力或流量来抵消周向速度有可能产生以下两种结果，一是喷入的反旋流压力较小，不能与密封腔内流体的周向速度抵消，减振效果差；二是喷入的反旋流压力过大，不但不能减振，反而激起了转子或叶片的振动。在何立东等人的文章《转子密封系统反旋流抑振的数值模拟》(航空动力学报1999年第14卷第3期第293～296页)也提到：如果反旋流的流量、流速合适，可以抑制振动，但若不合适也会导致转子振动失稳。

陈运西等人在文章《转子振动反旋流主动控制试验研究》(航空动力学报1994年第9卷第2期第183～185页)中提出反旋流的主动控制，利用VAC-1型控制仪，将振动信号的幅值与预先设定的幅值进行比较，根据比较的结果，打开或关闭供气阀门。这种控制系统相对于直接将流体喷入密封腔的反旋流技术有所改进，即当实际振动的幅值超过预设的安全值时，反旋流系统开始喷射，但其仍不能实现对喷气量和喷气速率的可控性。文章中的最佳喷射压力是对不同的密封系统分别进行测试试验后，选取的一个合适喷射压力，此压力不可以实时调节。当机组负荷等工况参数变化时，该系统不能根据机组的振动情况实时计算并调整气流的喷射压力和喷射量的大小，无法保证系统在最优状态下运行。

本发明针对现有反旋流技术不能在线实时调节喷射压力和喷射量大小的问题，提出一种实时连续可控反旋流减振装置，实现实时连续的反旋流主动控制。该装置不是直接将高压气流喷入密封腔中，而是根据振动大小、介质压力、流量等参数的变化，实时连续在线计算所需射流的流量，然后再喷射到密封腔中，形成实时连续闭环可控的反旋流，有效抑制密封流体气流激振。

发明内容：

本发明要解决的问题在于：针对现有技术的主要缺点，本发明能根据测量的振动大小、介质压力、流量等参数的变化，实时连续在线计算射流的流量，然后再喷射到密封腔中，形成实时连续闭环可控的反旋流，有效抑制密封流体气流激振。其适用范围广、自动化程度高，可以广泛应用于实际生产中。