Диссертация (785882), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Используемый магнитный возбудитель требует процедуры калибровки.Как отмечалось выше, рабочие параметры, с которыми могут бытьпроизведены измерения на динамическом стенде, (в первую очередь,давление на входе в уплотнение) зависят от устойчивости роторной системы стенда, т. е. зависят, в том числе, от динамических характеристик тестируемых уплотнений. Диапазон рабочих параметров динамического стенда заметно уже диапазона беспрецессионного стенда.
Максимальная скорость вращения ротора ограничивается первой критической скоростью, которая составляет около 1800 об/мин.Магнитный возбудитель является основным фактором, ограничивающим диапазон возможных рабочих параметров динамического стенда. Это связано с тем, что при высоких давлениях и/или скоростях вращения ротора возможности магнитного возбудителя не позволяют компенсировать силы, возникающие в уплотнениях.Метод идентификации динамических коэффициентов жёсткости идемпфирования уплотнений на динамическом стенде основан на определении границы устойчивости всей системы при её возбуждении [387].Тангенциальная сила возбуждения, прикладываемая через магнитный возбудитель, выводит ротор на границу устойчивости.
Момент перехода от устойчивого к неустойчивому режиму определяется через наблюдение орбиты ротора и его амплитудно-частотной характеристики.Количественным критерием служит момент перехода колебаний с некоторой частотой прецессии на колебания с частотой, равной первой собственной частоте роторной системы.Проведение измерений на динамическом стенде проходит в два этапа. Вначале находится граница устойчивости системы без подачи давления, т. е.
при отсутствии аэродинамических сил в каналах уплотнений. Второй эксперимент осуществляется под давлением, но при прочих равных рабочих параметрах. При подаче давления силы, возникаю2705.5. Экспериментальные исследованиящие в уплотнении, изменяют границу устойчивости системы и частотупрецессии ротора. Граница устойчивости определяется как и в эксперименте без давления.
Для компенсации сдвига частоты прецессии, посравнению с экспериментом без давления, прикладывается магнитнаярадиальная сила, которая является вторым управляющим параметровмагнитного возбудителя.Таким образом, магнитный возбудитель выполняет две функции:вывод ротора на границу устойчивости, и управление частотой прецессии ротора для обеспечения одинаковых условий проведения эксперимента как в случае без перепада давления в уплотнениях, так и в случаес перепадом давления.Магнитные силы, прилагаемые через магнитный возбудитель, контролируются двумя параметрами.
Магнитный коэффициент возбуждения соответствует тангенциальной силе. Магнитная жёсткость соответствует радиальной силе. Увеличение положительного возбуждения приводит к возникновению неустойчивости при прямой прецессии. Отрицательное возбуждение может стабилизировать систему до возникновения обратной прецессии. Положительная магнитная жёсткость увеличивает собственную частоту системы, а отрицательная магнитная жёсткость, соответственно, уменьшает собственную частоту всей роторнойсистемы стенда.Снятые значения двух управляющих параметров магнитного возбудителя конвертируются в две компоненты удельной силы с помощьюкалибровочных кривых. Удельная сила уплотнения определяется какразница между начальным измерением без подачи давления в уплотнения (индекс 0) и измерением с подачей давления (индекс 1):⎧⎨ / = 0 − 1 ,(5.9)⎩ / = 0 − 1 .Магнитный возбудитель расположен с одной стороны тестируемогоузла несимметрично по отношению к роторной системе, т.
е. магнитные силы прилагаются не в том же месте, где возникают аэродинамические (и механические в случае контактных щёточных уплотнений) силы уплотнения. Поэтому необходимой является процедура определения2715.5. Экспериментальные исследованияэквивалентной нагрузки, которую следует приложить посередине межопорного расстояния для получения одинакового динамического поведения системы. Для это цели используется конечно-элементная балочная модель ротора динамического стенда.
Динамические коэффициенты подшипников скольжения, используемые в конечно-элементноймодели, были определены ранее в [387].Для повышение точности измерения на динамическом стенде проводятся для прямой и обратной прецессии ротора. Значение частотыпрецессии на границе устойчивости также варьируется в небольшомдиапазоне путём изменения межосевого расстояния. Типичный результат динамического метода идентификации коэффициентов жёсткости идемпфирования уплотнения продемонстрирован на рис. 5.26, где символы показывают результаты отдельных измерений, а линии представляют собой аппроксимационные зависимости согласно динамической модели уплотнения из ур.
(5.6).Для коэффициентов жёсткости и демпфирования, идентифицированных на динамическом стенде, используется термин «глобальныединамические коэффициенты», т. к. методика определяет полныесилы, возникающие в уплотнении.Рис. 5.26. Идентификация коэффициентов жёсткости и демпфированияна динамическом стенде2725.6. Выводы по главе5.6. Выводы по главе 5Теоретические методыСистема дифференциальных уравнений, описывающая аэродинамическую модель бесконтактных уплотнений, решается с помощью сеточных методов ВГД на основе метода конечных объёмов.При моделировании бесконтактных газовых уплотнений необходимо придерживаться общей схемы выполнения расчётов ВГД. Сложностьгеометрии каналов уплотнений и картин течения накладывает особыетребования к каждому этапу моделирования, невыполнение которыхможет привести к получению неадекватных результатов.Проведение расчётов уплотнений может быть организовано как сиспользованием коммерческих программ, так и пакетов с открытым кодом, которые находятся в свободном доступе.
Предпочтительно работать со структурированными вычислительными сетками, несмотря нато, что процесс создания структурированных сеток связан, как правило, с большими трудностями и временными затратами по сравнению спроцессом создания неструктурированных сеток.Расчётная сетка может оказывать значительное влияние на аэродинамические силы, возникающие в каналах уплотнения. Также другие параметры расчётной модели (например, размер выходной области,модель турбулентности) влияют на расчётные характеристики уплотнения. Поэтому получаемые результаты требуют тщательной проверки иподтверждения для каждой конфигурации уплотнительного узла.Динамика системы «ротор – уплотнения» может быть успешно смоделирована с помощью конечно-элементных моделей на основе балкиТимошенко, реализованных в виде пакета MRACE.
Сравнение с результатами, полученными с использованием трёхмерных конечно-элементныхмоделей, продемонстрировало удовлетворительное согласование междуразличными моделями. Теоретические результаты также показали, чтобалочную теорию Бернулли-Эйлера не стоит использовать для роторных систем с массивными дисками.2735.6.
Выводы по главеЭкспериментальные исследованияЭкспериментальные исследования уплотнений могут иметь различный характер и преследовать различные цели. Поэтому в зависимости от задач экспериментальных исследований используются различные стенды. Используемые в данной работе экспериментальные стенды позволяют определять расходные и динамические характеристикиуплотнений в зависимости от различных рабочих параметров.Характеристики уплотнительных узлов могут демонстрировать заметную чувствительность к компоновке экспериментальных стендов иметодики проведения экспериментов. Малые зазоры в бесконтактныхуплотнениях, высокие давления и скорости вращения приводят к необходимости использования высокоточной измерительной техники и кропотливой настройки экспериментов.Применяемые в литературе процедуры экспериментальной идентификации динамических коэффициентов уплотнений основаны на рядедопущений и сами по себе могут являться предметом исследования.
Метод вывода ротора на границу устойчивости с помощью бесконтактногомагнитного возбуждения, используемый в данной работе, воспроизводит поведение динамической системы в реальном агрегате.Компоновка экспериментальной установки (геометрия входных ивыходных камер и т. д.) и методики измерений должны учитыватьсяпри проведении сравнительного анализа с результатами расчётов.274Глава 6Анализ характеристик уплотненийВ главе рассматриваются результаты по характеристикам различных лабиринтных и щёточных уплотнений, полученные в рамках данной работы.
Приведён подробный сравнительный анализ данных экспериментальных и теоретических исследований. Показаны распределения давлений, расход, динамические коэффициенты жёсткости и демпфирования, а также другие результаты. При анализе использовались также экспериментальные данные, взятые из литературы.6.1. Характеристики лабиринтных уплотнений6.1.1. Короткие лабиринтные уплотненияВ данном разделе рассматриваются короткие лабиринтные уплотнения с тремя гребешками. Данные по этим уплотнениям составляютбазис для оценки преимуществ щёточных уплотнений.Основное внимание уделено короткому лабиринтному уплотнениюс тремя гребешками на статоре и со ступенью на роторе типа SSS (см.рис. 2.26).
Рассматриваются три конфигурации SSS-1, SSS-2 и SSS-3,различающиеся радиальным зазором под гребешками (см. табл. 2.10).Диаметр вала отличается между конфигурациями незначительно.Также в данном разделе приведены результаты моделирования короткого сквозного лабиринта с наклонёнными гребешками и короткоголабиринта с гребешками на роторе.При расчётах всех конфигураций лабиринта используются полноохватные модели на основе стандартной ВГД-модели газового уплотнения, описанной в главе 3 и реализованной в пакете CFX.
Давление зауплотнением является во всех случаях атмосферным. Уплотняемой средой является воздух при комнатной температуре.2756.1. Характеристики лабиринтных уплотненийЕсли не указанно другое, то расчётные данные по динамическим коэффициентам уплотнений получены с помощью частотного метода круговой прецессии с использованием трёх частот (нулевая частота, прямаяи обратная синхронные прецессии).Расходные характеристикиДля удобства сравнения уплотнений различных типов и размероврасходная характеристика уплотнения может быть представлена в видефункции эффективного зазора ℎ .
Эффективный зазор рассчитывается из значения расхода ˙ как:√˙0ℎ =,(6.1а)20 где параметр определяется в зависимости от отношения давлений навходе и выходе в уплотнении 0 /1 :⎯[︃(︂ )︂ 2 (︂ )︂ +1 ]︃⎸(︂)︂ −1⎸2+1110≤=⎷−(6.1б), если ( − 1)0012и√︃=(︂2+1+1)︂ −1,в противном случае.(6.1в)В ур. (6.1б)-(6.1в): – показатель адиабаты, – удельная газоваяпостоянная.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
