Thermal-induced vibration caused by light-rub against brush and labyrinth seal

Leakage between stages in turbomachines is one of the greatest causes of performance losses. Sealing components between stator and rotor parts are commonplace to reduce the leakage mass-flow rate. In this field, brush seals are used in advanced sealing technology and represent the state-of-the-art sealing system, whereas labyrinth seals have been used in the last decades for their aptitude to be manufactured and their good sealing performances. Anyway, for ground application, usually both of them are used. Due to rotor misalignment, large vibrations, small clearances in the sealing technologies, the rotor could comes in contact with the sealing system leading to the rub. This causes the presence of local forces dependant on the deformation of the seal and the consequent generation of friction heating. The resulting dynamic phenomenon takes the name of spiral vibration, because of the shape of the vibration vector in the polar plot, or Newkirk phenomenon, from the scientist who first observed it. The objective of the present work is the development of a model to analyze the dynamic behaviour of real turbomachineries subject to rub condition. The main purpose consist of the modeling of the rub condition between the rotor and the sealing, especially against the labyrinth and brush seal.

Il trafilamento tra gli stadi delle turbomacchine è una delle maggiori cause di perdite di performance. Le tenute tra rotore e statore è una comune soluzione per la riduzione della portata di trafilamento. In quest'ambito, le brush seals sono usate nelle applicazioni più avanzate e rappresentano lo stato dell'arte dei sistemi di tenuta, mentre le labyrinth seals (tenute a labirinto) sono state usate negli ultimi decenni per la facile manifattura e le loro buone performance. Nel caso di applicazioni energetiche, si preferisce solitamente usarle in combinazione. A causa del disallineamento del rotore, di ampie vibrazioni e di piccoli giochi delle tenute, il rotore entra in contatto con il sistema di tenuta, causando lo strisciamento. Come conseguenza, prendono luogo forze locali dipendenti dalla deformazione della tenuta che, a loro volta, generano calore da attrito. Il fenomeno dinamico risultante prende il nome di vibrazione a spirale, a causa della forma che il vettore vibrazione assume nel diagramma polare, o fenomeno di Newkirk, dal nome dello scienziato che per primo lo osservò. L’obiettivo del presente lavoro è lo sviluppo di un modello per l’analisi del comportamento dinamico di turbomacchine reali soggette a strisciamento. Lo scopo principale consiste nella modellazione della condizione di strisciamento tra rotore e tenuta, in particolare a labirinto e di tipo brush.