Диссертация (785882), страница 25
Текст из файла (страница 25)
В зависимости от перепада давления для каждого щёточного пакета задавалисьтолщина пористой области и свободный зазор (см. [299]).Однако, как будет видно в главе 6, перепад давления для первогои второго пакетов принимает в определённых случаях значения ниже0.1 МПа, что лежит за пределами диапазона, использованного при работе с одиночным щёточным уплотнением B-1.
Данный факт усложняетпроцедуру калибровки.К тому же можно утверждать, что свободный зазор и толщина щёточного пакета также зависят от закрутки входного потока. Данная зависимость не была исследована. Указанные два замечания говорят обостаточной неопределенности при задании параметров щёточных па-1443.4. Модели щёточного уплотнениякетов в многоступенчатых конфигурациях для варьируемых рабочихусловий.3.4.4. Модель дискретной структуры щёточного пакетаПроведение расчётов с использованием модели, в которую включены отдельные волокна щёточного пакета, является очень трудоёмкойзадачей с точки зрения вычислительных затрат. Это связано с большимчислом волокон в типичных пакетах щёточных уплотнений, плотностьупаковки которых лежит в диапазоне 50.
. . 200 волокон на миллиметр вокружном направлении.В моделях с учётом дискретной структуры щёточного пакета рассматривается, как правило, идеализированная геометрия малого сегмента щёточного пакета с относительно небольшим количеством волокон. Размер трёхмерного сегмента в окружном направлении долженбыть достаточно малым, чтобы результирующая сетка имела реалистичное для выполнения расчётов число узлов.В работе построена модель малого сегмента уплотнения с дискретной структурой щёточного пакета для исследования локальных особенностей течения газа в каналах щёточного уплотнения.В остальном модель щёточного уплотнения с учётом дискретнойструктуры существенно не отличается от базовой модели щёточногоуплотнения, описанной выше.
Используются те же самые система уравнений Навье-Стокса, модель турбулентности, граничные условия. Неиспользуется модели пористой среды. Однако из-за особенностей течения газа между волокнами щётки, в котором может преобладать ламинарный режим, возникает вопрос о необходимости использования модели переходной турбулентности.На рис.
3.11 представлен в качестве примера фрагмент расчётнойсетки модели щёточного уплотнения с дискретной структурой пакета.Как и в случае моделей, описанных выше, используется структурированная гексагональная сетка, генерация которой является сложной задачей, сопряжённой со значительными трудностями.Для чисто аэродинамического расчёта сетка для самих волокон (по-1453.4. Модели щёточного уплотненияРис.
3.11. Фрагмент расчётной сетки для модели щёточного уплотненияс учётом дискретной структуры пакетаказана на рис. 3.11 оттенками красного и зеленого) не требуется, но может быть использована при проведении связанных тепловых или механических расчётов.В модели с дискретной структурой отсутствует пористая среда, нонекоторая процедура калибровки всё равно оказывается необходимой.Во-первых, в модели должен учитываться рабочий радиальный зазор,что приводит к перестройке расчётной сетки для каждого перепада давления.
Во-вторых, необходимо задавать зазор между отдельными волокнами в окружном и осевом направлениях, который меняется присжатии щёточного пакета, что также требует перестройку расчётнойсетки. Следует отметить, что контакт между волокнами приводит к вырождению сетки для аэродинамического расчёта.В модели с дискретной структурой щётки рассматривается малыйсегмент щёточно-лабиринтного уплотнения SSB с двумя различнымищёточными пакетами B-1 (проволока малого диаметра) и B-3 (проволока большого диаметра). Щёточный пакет B-1 устанавливается с положительным номинальным зазором. Щёточный пакет B-3 имеет нулевойрадиальный зазор.Параметры дискретных моделей сведены в табл.
3.4.1463.4. Модели щёточного уплотненияТаблица 3.4. Параметры моделей с дискретной структурой щёткиB-3B-1Число отдельных волокон72 (12 рядов)144 (24 ряда)Толщина пакета [мм]1.851.53Мин. зазор между волокнами [мм]0.010.004Число ячеек расчётной сетки20 665 26019 771 885Число узлов расчётной сетки21 590 19620 885 508Несмотря на очень малый размер сегмента щёточного-лабиринтного уплотнения в окружном направлении, результирующие расчётныесетки имеют достаточно большие размеры.Щёточный пакет представлен в модели 144 волокнами (24 ряда восевом направлении) из проволоки малого диаметра и 72 волокнами (12рядов в осевом направлении) из проволоки большого диаметра. Оценка числа волокон и рядов проводится из геометрических параметров сиспользование фотографий щёточных пакетов.На рис.
3.12 показаны фрагменты геометрии и расчётной сетки идеального щёточного пакета. Деформация волокон в данном случае нерассматривается. Фотография реального пакета показана на рис. 3.13.xУтечкаОсевое направлениеНаправление вдоль волокон(вне плоскости)Рис. 3.12. Фрагмент модели с дискретной структурой щёточного пакета1473.4. Модели щёточного уплотненияРис.
3.13. Фотография волокон щёточного пакетаЗазор между отдельными волокнами пакета при расчётах оставался в данном случае постоянным. Значения радиального зазора щёточного уплотнения с номинальным положительным зазором изменялисьв модели в зависимости от давления подачи. При этом расчётная сеткаперестраивалась для каждого нового значения.3.5.
Механическая модель щёточного уплотненияРасчёт напряжённо-деформированного состояния волокон щёточного уплотнения вследствие аэродинамических нагрузок или контактного взаимодействия с элементами ротора и статора является важнойзадачей при определении реальных зазоров, сил, жесткостных и демпфирующих характеристик, а также теплового состояния уплотнительного узла.Описанные в предыдущих разделах данной главы газодинамические модели уплотнений позволяют определять аэродинамические силы от давления, действующие в щёточном уплотнении. Модель пористой среды щёточного пакета не учитывает возможный механическийконтакт волокон с поверхностью вала. Следовательно аэродинамические силы и динамические коэффициенты жёсткости и демпфированияне содержат компонент, возникающих в результате такого контактноговзаимодействия.1483.4. Модели щёточного уплотненияДля анализа напряжённо-деформированного состояния волокон впакете является необходимой разработка механических моделей щёточного уплотнения, которые могут быть использованы как в отдельности,так и совместно с газодинамическими моделями при проведении связанных расчётов.Простейшая механическая модель щёточного уплотнения рассматривает одиночное волокно щёточного пакета, которое подвергается изгибу под действием заданной нагрузки.
При этом также делается допущение об идеализированном гомогенном щёточном пакете. Расчётнаясхема для одиночного волокна, представленного как балка с защемленным концом, показана на рис. 3.14.С использованием уравнения теории упругости для упругой линии балки при плоском изгибе, прогиб свободного конца консоли можетбыть выражен в следующем виде [58, С. 62]:Δ= 3,3 (3.35)где — нагрузка, действующая на волокно и приведённая к его свободному окончанию. Значение угла (см. рис.
3.14) полагается близким кнулю.Значение радиальной компоненты силы, которую необходимо приложить к свободному концу балки для изгиба волокна на заданную величину, может быть определено из следующего выражения:3 3 == 3Δ = 3 2 Δ ,sin sin sin (3.36)где Δ представляет собой деформацию волокна при контакте с валомили изменение радиального зазора в щёточном уплотнении при опускании волокна вследствие нагрузки от давления.Количественная оценка силы, необходимой для деформации полного пакета щёточного уплотнения, может быть произведена путём суммирования сил для отдельных волокон.
Однако в реальности из-за трения между волокнами, а также из-за взаимодействия пакета с упорнымкольцом для деформации щёточного пакета потребуется большее усилие, чем простая сумма сил, действующих на отдельные волокна.1493.4. Модели щёточного уплотненияРис. 3.14. Расчётная схема изгиба волокна щёточного уплотненияВ [139] на основе экспериментальных исследований был предложенэмпирический коэффициент для учёта трения в щёточном пакете привыполнении оценки полной силы деформации: = , = 1.17 . . . 1.72.(3.37)Следует отметить, что эмпирический коэффициент был выведенв [139] на основе лабораторных экспериментов, моделирующих деформацию щёточного пакета при взаимодействии с валом при атмосферномдавлении.Также в [139] обсуждался вопрос оценки сил, действующих в пакете при возникновении перепада давления через щёточное уплотнение.Так, для радиальной нагрузки, которая отвечает за опускание волоконк поверхности вала, был предложен следующий вид эмпирической зависимости на основе измерений момента в щёточном уплотнении [139]:(︂)︂Δ+ 1 ,(3.38) = 1где — эмпирический коэффициент, учитывающий увеличение жёсткости щёточного пакета за счёт сжатия при возникновении перепада давления; 1 — давление за щёточным уплотнением, Δ — относительное1503.4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
