Dynamic characterization of seals in turbomachinery

Sealing technologies are widely used in gas compressor, steam and gas turbines to reduce the leakage flow and to separate high-pressure to lowpressure regions. The current oil and gas market competitiveness lead the turbomachinery manufacturers to increase the rotational speed and the power output and/or to maximize the efficiency. Sealing clearance reduction has been confirmed as the most cost-effective way to meet today’s aggressive turbomachinery requirements. Labyrinth seals are a common solution in turbomachinery applications because they are easy to manufacturing and do not require maintenance. Labyrinth seals are good in restricting the leakage flow by dissipating the flow kineticenergy through the tortuous passage, however they do not respond well to the machine dynamics. Labyrinth seals drive to instability, because of the fluid dynamics mainly related to the presence of a non-uniform circumferential pressure distribution. The non-uniform pressure distribution generates dynamic forces on the rotor that may lead to sub-synchronous instability issues. The influence of labyrinth seals on the stability of turbomachinery is investigated using the standard rotordynamic beam element model of the shaft-line, labyrinth seals are modelled through linearized coefficients, the so-called rotordynamic coefficients. The accuracy of stability analysis is of primary importance during the design phase of turbomachinery, therefore, the correct prediction of the rotordynamic coefficients is critical. Over the last decades, numerical modeling and experimental characterization of labyrinth seals have been conducted by university and industries. The predictions, compared to experimental evidences, are accurate for a narrow range of operating conditions and labyrinth seal configurations. In this thesis, a one-control volume bulk-flow model has been developed for straight-through and staggered labyrinth seals, the model shows improvements with respect to the literature, in particular regarding the characterization of the flow conditions within the seal cavities. Two experimental campaigns have been performed in the high-pressure seal test-rig owned by General Electric Oil&Gas to validate the numerical model. With the increasing demand of efficiency and performance, steam turbines have started to operate near critical conditions of their structural and thermal capabilities. Because thermal, pressure and centrifugal loads may change the nominal geometry of labyrinth seals and consequently also the rotordynamic coefficients associated, a thermo-elasto bulk-flow model has been introduced. Similar to the oil and gas market, the technology trend in the power-generation field is to increase the power and efficiency of turbomachinery. The need of high efficiency leads, among other things, to the introduction of new sealing technologies such as brush seals. Brush seals operating principle is different from that of labyrinth seals. Brush seals can be assembled at very tight or zero radial clearance or even with interference on the rotor. This means that the contact between the rotor and the seal bristles exists, especially in the case of zero clearance or interference. If a contact occurs a hot-spot develops on the rotor and this may cause the vibration to be unstable, resulting in a synchronous instability (spiral vibration). The development of numerical models to analyze this phenomenon is therefore important to assess the rotordynamic stability during the design phase and avoid excessive vibrations, which may have severe impact on the operability and mechanical integrity of turbomachinery. Based on the domain swap method proposed in the literature, in this thesis, a model for the analysis of thermally-induced vibrations cause by light-rub of the rotor against brush and labyrinth seals has been developed.

Le tenute sono ampiamente utilizzate in compressori a gas, in turbine a gas e a vapore per limitare il trafilamento di flusso e per separare zone di alta pressione da quelle di bassa. Le attuali tendenze progettuali delle turbomacchine, per il mercato oil e gas, sono quelle di incrementare la velocità di rotazione e la potenza e/o di ottimizzare l‘efficienza. La riduzione dei giochi in corrispondenza delle tenute è il modo più economico per soddisfare i requisiti di performance richiesti dal mercato. Le tenute a labirinto sono largamente utilizzate nella turbomacchine perché sono facili da costruire e non richiedono manutenzione. Queste hanno buone proprietà nel limitare il trafilamento di flusso attraverso la dissipazione dell‘energia cinetica, tuttavia possono portare a problemi di instabilità dinamica. Le tenute a labirinto provocano instabilità dinamica di natura fluidodinamica causata da un campo di pressione non uniforme in direzione circonferenziale. Esso genera forze dinamiche che agiscono sul rotore portando alla sua instabilità. Tale instabilità si presenta ad una frequenza sub sincrona rispetto alla velocità di rotazione del rotore. L‘analisi di stabilità delle turbomacchine e l‘influenza delle tenute a labirinto sulla dinamica sono studiate mediante il modello agli elementi finiti della macchina, comunemente utilizzato per le analisi rotordinamiche. Le tenute a labirinto sono modellate attraverso coefficienti linearizzati, conosciuti come coefficienti rotordinamici. L‘accuratezza dell‘analisi di stabilità della macchina è di fondamentale importanza durante la sua progettazione poichè l‘accettabilità del progetto dipende dal risultato di tali analisi. Per questo motivo, l‘accurata stima di tali coefficienti è di primaria importanza. Negli ultimi decenni, la modellazione numerica e la caratterizzazione sperimentale delle tenute a labirinto sono state argomento di discussione di univerità e industrie che operano nel settore. Le stime dei coefficienti rotordinamici, calcolati mediante modelli numerici, rispetto a quelli sperimentali, sono accurate per un limitato intervallo di condizioni operative e configurazioni di tenuta. In questa tesi è stato sviluppato un modello bulk-flow ad un volume di controllo per tenute a semi labirinto e a labirinto pieno. Nel modello sono stati apportati dei miglioramenti rispetto ai modelli in letteratura, soprattutto per quanto riguarda la caratterizzazione delle condizioni di flusso. Per validare il modello numerico sono state svolte due campagne sperimentali sul banco prova realizzato da General Electric Oil&Gas. La crescente domanda di efficienza e prestazioni per le turbine a vapore ha portato a lavorare in condizioni strutturali e termiche critiche. Poichè i carichi termici, di pressione e le forze centrifughe possono modificare la geometria nominale delle tenute a labirinto e i coefficienti rotordinamici ad esse associati, in questa tesi è stato introdotto un modello bulk-flow termo-elastico. Come nel mercato oil e gas, la tendenza nel settore della produzione di energia è quella di aumentare la potenza e l‘efficienza delle turbomacchine. La necessità di un‘elevata efficienza ha portato all‘introduzione di nuove tecnologie di tenuta, come le tenute a spazzola. Il principio di funzionamento di queste tenute è diverso da quelle a labirinto. Le tenute a spazzola possono essere montate con giochi molto stretti o nulli, o anche con interferenze sul rotore. Ciò significa che c‘è contatto tra il rotore e le setole delle tenuta, in particolare nel caso di gioco nullo o di interferenza. Quando si verifica un contatto, del calore viene introdotto nel rotore causando un ingobbamento del rotore che può portare a problemi di instabilità dinamica sincrona con la velocità di rotazione. Lo sviluppo di modelli numerici per l‘analisi di questo fenomeno è di fondamentale importanza per valutare la stabilità della macchina durante la fase di progettazione e per evitare vibrazioni eccessive. Tali vibrazioni possono avere un impatto sull‘operabilità e l‘integrità meccanica della turbomacchina. Basandosi su un modello disponibile in letteratura, in questa tesi, è stato sviluppato un modello per l‘analisi di vibrazioni di origine termica causate dallo strisciamento del rotore contro tenute a spazzola ed a labirinto.