Диссертация (785882), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Модель являетсяобобщением уравнений Эргуна для учёта анизотропической природыщёточного пакета.В модели выделены два направления: вдоль волокон и направление, перпендикулярное волокнам, и . Значения коэффициентовсопротивления в направлении, параллельном волокнам, были получены на основе экспериментальных данных. Значение вязкостного сопротивления в направлении вдоль волокон значительно меньше значениядля перпендикулярного направления. Инерционный коэффициент сопротивления в направлении вдоль волокон полагается равным нулю.1323.3. Модель пористой средыМодель, предложенная Прёстлером (М-2)Линейный и квадратичный коэффициенты сопротивления в модели, предложенной Прёстлером [390], рассчитываются как: = 80, = 32,(3.27) = 1.16, = 0.Данная модель также была разработана специально для щёточных уплотнений и представляет собой дополнительную модификациюпредыдущей модели M-1.
В частности, был изменён вязкостный коэффициент сопротивления в направлении, параллельном волокнам.Альтернативная модель пористой среды (М-3)В данной работе также предлагаются к использованию следующиевыражения для коэффициентов сопротивления пористой среды:6 = ,5 = 72 ,1 = 2(︂513+ 4− 22 2(3.28))︂, = 0.Выражения для коэффициентов сопротивления в ур.
(3.28) для перпендикулярных направлений и взяты из [369], где представлена модель пористой среды общего назначения.В процессе адаптации модели пористой среды из [369] к щёточным уплотнениям был использован подход по аналогии с моделью M-1из [115; 116]. Выражение для линейного коэффициента для направлениявдоль волокон было получено путём уменьшения коэффициента , .Параметр извилистости и коэффициент относительной заполненности рассчитываются по следующим формулам [369]:⎛⎞√︃(︂)︂2√11√11√ = ⎝1 +1−+ 1−− 1 + ⎠,2241−(3.29)1√=.1− 1−1333.3. Модель пористой среды3.3.3. Калибровка модели пористой средыОсновным недостатком модели пористой среды является её полуэмпирическая природа.
Приведённые в предыдущем разделе выражениядля коэффициентов сопротивления были получены с использованиемэкспериментальных данных. Поэтому модель пористой среды для конкретного щёточного уплотнения должна, как правило, быть откалибрована для одного или более наборов рабочих параметров.Необходимость проведения процедуры калибровки означает, что враспоряжении должны быть экспериментальные данные по расходу какминимум для одной рабочей точки (перепада давления).Альтернативным вариантом выполнения калибровки модели пористой среды является использование теоретических результатов или приближенных зависимостей, полученных ранее при моделировании похожих щёточных уплотнений.
Также для оценки неизвестных параметровмодели пористой среды могут использоваться теоретические результаты, полученные с учётом дискретной структуры пакета волокон.Процесс калибровки модели пористой среды заключается в последовательном изменении выбранного параметра модели до тех пор, пока расчётное значение выбранной характеристики не будет совпадать сзаданной точностью с эталонным значением. Из этого следует, что процесс калибровки включает в себя выполнение ряда последовательныхрасчётов.
Следует отметить, что процесс калибровки может быть полностью автоматизирован.При выполнении калибровки могут быть использованы различныеметоды, среди которых: изменение неизвестной рабочей толщины щёточного пакета ; изменение неизвестного остаточного радиального зазора щёточного уплотнения (при наличии номинального радиальногозазора); непосредственное изменение коэффициентов и в уравненииобобщённой модели Дарси; выделение нескольких зон в пакете с различными коэффициентами сопротивления (например, зона в обойме, зонав свободном зазоре между кольцами и валом).Для проверки процесса калибровки чаще всего используются значения расхода через щёточное уплотнение.
Также могут быть использо-1343.4. Модели щёточного уплотненияваны реальные значения для распределения давления в щёточном пакете или значения перепада давления через щёточное уплотнение (прииспользовании ЩУ в комбинации с другими уплотнениями).После выбора набора выражений для коэффициентов сопротивления в модели пористой среды остаётся лишь один неизвестный параметр — толщина щёточного пакета в осевом направлении.
Изменениямив угле наклона волокон при их опускании в данном случае пренебрегаем. Значения толщины пакета могут изменяться при возникновенииперепада давления через уплотнение, тем самым значительно изменяязначения коэффициентов сопротивления. Поэтому представляется целесообразным выполнять калибровку, изменяя толщину пакета.При работе с щёточными уплотнениями, имеющими номинальныйрадиальный зазор, процесс калибровки усложняется из-за увеличенияколичества неопределённых параметров.
Величина остаточного радиального зазора не влияет на параметры модели пористой среды, но изменяет размеры пористой зоны. Поэтому подход, основанный на варьировании значения зазора, может быть использован в процессе калибровки для распределения величины утечек между щёточным пакетом исвободной зоной между волокнами и поверхностью вала.Изменения в значениях свободного зазора и толщины пакета могутпроисходит одновременно, что делает сложным разделение этих двухэффектов. Рекомендуемым методом здесь является использование аппроксимационных функций радиального зазора в зависимости от перепада давления.
Данные зависимости могут быть выведены из экспериментальных данных, полученных с помощью оптических методов, илииз теоретических моделей, в которых выполняется расчёт изгиба волокон в пакете щёточного уплотнения.3.4. Модели щёточного уплотнения3.4.1. Модель сегмента щёточного уплотненияПростейшей моделью для определения расхода и перепада давления в камерах уплотнения методами ВГД является двумерная модель,1353.4. Модели щёточного уплотненияв которой рассматривается лишь осевое сечение уплотнения.
Двумернаямодель может быть построена как для лабиринтных, так и для щёточных уплотнений. В данной работе в качестве базовой модели используется модель трёхмерного сегмента щёточного уплотнения.Схема модели сегмента щёточного уплотнения показана на рис. 3.5.Модель включает в себя щёточный пакет, который описывается как пористая среда, две камеры перед и за щёточным пакетом, а также входную и выходную области. При этом предполагается, что вал находится вконцентричном положении.
Общие размеры модели (диаметр вала, полная длина уплотнения) соответствуют в данном случае размерам модели базового лабиринтного уплотнения SSS.На рис. 3.5 приведены два вида трёхмерного сегмента щёточногоуплотнения, вырезанного вдоль оси вала. Размер сегмента в окружномнаправлении составляет несколько градусов. Такие модели могут использоваться для определения расходных характеристик, распределения давления и картин течения в каналах уплотнения. Для изученияэффекта эксцентричного положения вала, а также определения компонент аэродинамической силы, возникающей в уплотнении, необходимоиспользовать полноохватные геометрические модели (см. ниже).В зависимости от целей расчёта в модель могут также включатьсяканалы элементов, окружающих уплотнение в реальном агрегате (например, сектор с лопатками для надбандажных уплотнений, устройствагашения закрутки потока, лабиринты и т. д.), которые также могут оказывать заметное влияние на расчётные характеристики уплотнения.Как уже отмечалось выше, входные и выходные области, включаемые в расчётную модель, необходимы для уменьшения нежелательныхэффектов от идеализированных граничных условий на входе и выходеиз уплотнения.
Ряд работ, посвящённых моделированию лабиринтныхуплотнений, показал, что размер входных и выходных областей можетзаметно влиять на результаты расчётов. Выбор размера данных областей является компромиссным решением, при котором учитывается общее число узлов в результирующей расчётной сетке.Для изучения теплового состояния уплотнительного узла в модельВГД можно включить элементы статора и ротора как твердотельные1363.4.
Модели щёточного уплотненияЩёточныйпакетУпорное кольцоЩёточныйпакетВходноесечениеСтаторВыходноесечениеЗащитное кольцоВыходноесечениеВалВходноесечениеВала) Общая конфигурацияб) Область щёточного уплотненияРис. 3.5. Схема базовой модели сегмента щёточного уплотнениятела, представляющие собой дополнительные расчётные области, длякоторых будет решаться связанная задача теплопроводности.Размеры моделей исследуемых пакетов щёточных уплотнений приведены на рис. 3.6 (пористые зоны, занимаемыми пакетами, не показаны).Размеры щёточного пакета (свободный радиальный зазор и толщина пакета) изменяются в зависимости от рабочего режима.
Эти изменения расчётной области должны быть учтены в теоретической моделиуплотнения. Для этого можно воспользоваться двумя подходами.Прямой метод учёта непостоянных размеров пористой среды подразумевает регенерацию новой расчётной сетки при каждом изменениирабочих параметров, т. е. граничных условий. Преимуществом данногометода является точное воспроизведение заданных размеров области.Однако несмотря на то, что процедуры регенерации сетки и её заменыв модели могут быть автоматизированы, временные и вычислительныезатраты такого подхода могут оказаться значительными.Альтернативный подход, который позволяет уменьшить затратына подготовку отдельных расчётов, заключается в использовании одной сетки с достаточно малыми ячейками в области изменяемых границщёточного пакета.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
