准三维CFD扰动技术对旋转转子ROTOR与泄漏流LEAK的反作用力预测 前言：随着叶轮机械不断提高的功率和效率，对更大功率和效率的追求推动了对可靠部件的需求，其中，非接触式密封，如光滑平面密封和迷宫式密封，在压缩机、涡轮机和泵等各种应用中得到了广泛应用，这些密封件用于隔离压力变化的区域，并使流体泄漏最小化，在某些情况下，它们甚至有助于控制泄漏。 然而，随着涡轮机部件逐渐发展以发挥更大的功率和效率，旋转转子ROTOR和泄漏流LEAK之间出现了有趣的相互作用，这种相互作用反过来又产生了反作用力，通常以高压和狭窄间隙为特征的操作环境对迷宫式密封提出了独特的挑战。 因为这些密封件由于其复杂的设计，可能会产生相当大的力不平衡，所以当检查转子在任意位置周围受到小径向位移时的行为时，可以使用矩阵符号表示的线性化方程组来模拟反作用力，表示为Fy和Fz：|Fy||KyyKyz||y||CyyCyz||˙y||MyyMyz||¨y|Fz|=|KzyKzz|*|z|+|CzyCzz|*|˙z|+|MzyMzz|*|¨z|，这里，y和z表示y和z方向上的位移，而y和z表示它们对应的速度，y和z表示加速度。 在转子的标称位置与外壳同心对齐的情况下，系数矩阵简化，采用如下的斜对称结构：|Fy||K-k||y||C-c||˙y||M-m||¨y||Fz|=|kK|*|z|+|cC|*|˙z|+|mM|*|¨z|，这里，K和K表示直接和交叉耦合刚度系数，而C和C表示直接和交叉耦合阻尼系数，m和m分别代表直接和交叉耦合惯性系数。 在转子逆时针旋转的情况下，产生的径向和切向力，在研究中讨论的各种力系数中，切向分量k和C在确定转子的动态稳定性方面起着关键作用，正k表示作用在涡动方向上的不稳定刚度力，而正C对应于抵消涡动的稳定阻尼力。 k和C之间的相互作用产生了有效阻尼的概念，表示为Ceff[=C-k/ω]，其中ω代表角速度，Ceff的正值表示与旋转相反的力，具体来说，交叉耦合刚度系数k在建立转子动态稳定性或不稳定性方面非常重要。 尽管与轴承或液体密封相比，k值相对较小，但当密封位于轴位移较大的位置时，k值的重要性会增大，在这种情况下，密封件的k值可能是稳定和不稳定操作条件之间的区别因素，因此，准确预测这些力系数，包括k，变得至关重要。 早在1965年的时候，当时Alford提出了迷宫式密封的初步分析，这标志着该领域研究的开始，多年来，在精确预测的过程中出现了大量流动模型，这是一种由Black和Jensen和Childs 等科学家开创和完善的方法。 为了解决整体流动模型的局限性和全三维计算流体动力学(CFD)模型的计算需求，引入了准三维CFD扰动方法，这种方法旨在提高准确性，同时减少计算负担，本质上，它类似于整体流动模型，但在控制方程的处理上有所不同，Diezen和Nordmann利用坐标变换技术开发了第一个CFD扰动模型，从而对这一领域做出了贡献，然而，当处理复杂的密封几何形状时，这种方法的准确性减弱。 而Kim和Rhode却设计出来了一种CFD扰动方法的替代版本，他们的方法避开了坐标变换的需要，适用于各种几何形状的轴对称密封，困扰早期模型的一个重要问题浮出水面，那就是这些模型经常为一阶流动扰动量提供不正确的域-入口边界条件，特别是，一阶涡流速度密封-入口边界条件在历史上被假定为正弦和余弦分量(W1S和W1C)等于零。 在现有模型中的另一个问题源于对扰动伯努利方程的依赖，该方程将密封入口边界处的一阶轴向速度和压力联系起来，这种方法依赖于进口损失系数，这带来了相当大的不确定性。 为了解决这个问题，Venkatesan和Rhode开发了相关性来确定上游室内的一阶域-入口边界条件值，然而，将上游室整合到现有的整体流动模型中提出了挑战，值得注意的是，全三维和CFD扰动模型中上游室的存在偶尔会引起数值稳定性问题。 总结：通过我们的研究表明，旋转转子ROTOR与泄漏流LEAK之间的相互作用，以及其引起的反作用力，在高压和狭窄间隙的环境下，密封可能出现力不平衡现象，这可能对系统稳定性产生影响。 然而从最早的整体流动模型，到准三维CFD扰动方法，这些方法旨在提高预测准确性，同时降低计算复杂度，不过这些也带来了一些挑战，例如复杂几何形状和边界条件的处理，以及上游室的引入可能导致的数值稳定性问题。 所以说，研究提供了关于密封件行为、力学特性以及各种模型方法的深入洞察，并且突显了在叶轮机械领域中关于反作用力预测的重要性，以及研究人员通过不断创新和努力来推动这一领域的发展，相信在未来，这些方法一定会为叶轮机械的性能优化和稳定运行提供更有价值的信息。
