Диссертация (785882), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Ширина гребешков составляет 1 мм у основания и 0.3 мм накончике.Сечение канала уплотнения с гребешками на роторе (конфигурацияГР) представляет собой зеркальное отображение конфигурации ГС.На рис. 6.6 показано типичное распределение давления в осевом направлении в конфигурации ГС, а также расчётная сетка для конфигурации ГР.
Структурированная расчётная сетка для полноохватныхуплотнений состоит из 3 740 460 узлов. Эксцентриситет вала составляет0.1 мм. Модель уплотнений соответствует стандартной ВГД-модели лабиринтного уплотнения, описанной в главе 3. Расчётные динамическиекоэффициенты, приведённые ниже, получены с помощью аппроксимации аэродинамических сил по трём частотам прецессии.В качестве граничных условий задаётся перепад давления, скоростьвращения вала (9557 об/мин), температура воздуха (20∘ С). Закруткавходного потока газа достигается с использованием вращающейся зоныво входной области расчётной схемы (см. рис.
6.6).Результаты численного расчёта представлены для различных перепадов давлений и двух значений начальной закрутки потока. Значенияотносительной закрутки потока на входе (тангенциальная составляющая скорости на входе, делённая на окружную скорость ротора) составляют примерно 0.16 (малая закрутка: конфигурации ГС-45 и ГР-45) и0.30 (высокая закрутка: конфигурации ГС-20 и ГР-20) соответственно.Для определения динамических коэффициентов с помощью частотного метода круговой прецессии дополнительно к расчёту с нулевой пре2836.1.
Характеристики лабиринтных уплотненийа) Распределение давления для конфигурации ГСб) Расчётная сетка для конфигурации ГРРис. 6.6. Короткие уплотнения с гребешками на статоре и на роторецессией выполнялись расчёты для прямой и обратной прецессии с частотой, равной половине скорости вращения ротора. При определениидинамических коэффициентов использовались аэродинамические силы,действующие на ротор в уплотнении и входной области (см. рис. 6.6).При выполнении некоторых расчётов (в частности, для случая прямой прецессии в конфигурации ГР) стандартный критерий сходимости(ограничения для осреднённых невязок уравнений 2 × 10−6 ) не достигался.
В таких случаях расчёт останавливался, когда физические характеристики уплотнения (расход и силы) оставались постоянными впроцессе итераций, а величины невязок для уравнений не превышали2 × 10−5 .На рис. 6.7 приведены расходные характеристики уплотнений дляодного значения начальной закрутки потока.
Второй вариант закруткине показал заметного влияние на расход. Конфигурация ГР демонстрирует немного более высокие утечки по сравнению с конфигурацией ГСс максимальным увеличением около 4%.На рис. 6.8 приведены зависимости динамических коэффициентовжёсткости и демпфирования двух конфигураций уплотнений.Прямая жёсткость имеет отрицательные значения при всех рабочих параметрах. Начальная закрутка потока газа незначительно влияет на значения . Конфигурация лабиринта ГС имеет более высокийпрямой коэффициент жёсткости (в абсолютном значении) для давленийдо 6 атмосфер, тогда как для более высоких давлений прямая жёсткость2846.1. Характеристики лабиринтных уплотненийРис. 6.7. Сравнение расчётного расхода для уплотнений с гребешкамина роторе и статоревыше в конфигурации ГР.Перекрёстная жёсткость демонстрирует сильную зависимость отначальной закрутки потока (см.
рис. 6.8). Конфигурация ГР имеет более высокую перекрёстную жёсткость, чем конфигурация ГС. Увеличение перекрёстной жёсткости в конфигурации ГР для варианта с высокой начальной закруткой потока составляет в среднем 26%.На рис. 6.8 также приведены динамические коэффициенты демпфирования уплотнений. Конфигурация ГР имеет более высокие значения коэффициента прямого демпфирования в сравнении с конфигурацией ГС.
Начальная закрутка потока увеличивает прямое демпфирование в конфигурации ГР в среднем на 40% для низкой начальнойзакрутки и 16% для высокой. В конфигурации ГС увеличение начальной закрутки приводит к заметному увеличению прямого коэффициентдемпфирования, что не наблюдается в конфигурации ГР.Перекрёстный коэффициент демпфирования незначительно зависит от конфигурации лабиринта (см. рис.
6.8). Намного более сильныйэффект имеет величина начальной закрутки потока. Для высокой закрутки коэффициент перекрёстного демпфирования превышает коэффициент прямого демпфирования.Расчёт значений коэффициента частоты прецессии Ω и эффективного демпфирования показывает, что динамические характеристики двух рассмотренных конфигураций лабиринта в целом незначитель2856.1.
Характеристики лабиринтных уплотненийРис. 6.8. Сравнение расчётных динамических коэффициентов для уплотнений с гребешками на роторе и статорено отличаются друг от друга.Для малой начальной закрутки конфигурация ГР имеет заметноболее высокий осреднённый коэффициент частоты прецессии. Однакоего максимальная величина составляет 0.23, что гораздо меньше значения 0.5, которое является теоретической границей устойчивости.Для высокой начальной закрутки значения коэффициента частоты прецессии превосходят значение 0.5 для двух конфигураций, когдадавление на входе превышает 4 атмосферы.
Разница между ГР и ГСсоставляет для осреднённого коэффициента Ω около 4%. Хотя конфигурация ГР имеет незначительно более высокий коэффициент Ω , данная конфигурация также имеет более высокое значение осреднённогоэффективного демпфирования. С переходом от малой до высокой начальной закрутки потока эффективное демпфирование заметно умень-2866.1. Характеристики лабиринтных уплотненийшается как для конфигурации ГР, так и для конфигурации ГС.В целом можно отметить, что расчётные результаты демонстрируют сравнительно небольшой эффект от исследованных конфигурацийлабиринта на расходную характеристику и динамические коэффициенты уплотнения. Лабиринт с гребешками на роторе имеет более высокиезначения расхода и перекрёстной жёсткости, но и более высокие значения прямого демпфирования, чем лабиринт с гребешками на статоре.Небольшой эффект геометрии короткого лабиринта на характеристики уплотнения связан, предположительно, с малым числом гребешков.
Можно ожидать, что для более длинных уплотнений ухудшениединамических характеристик в конфигурации с гребешками на роторебудет более явным.Сквозной лабиринт и лабиринт с наклонёнными гребешкамиРассмотрено влияние ступеньки на роторе в конфигурации короткого лабиринта SSS. В табл. 6.1 приведены расчётные данные для трёхгребешкового сквозного лабиринтного уплотнения по сравнению с данными для уплотнения SSS-3.
Данные приведены для одной рабочей точки (0 = 0.4 МПа, 0 = 136 м/с, = 750 об/мин, = 0.1 мм).Как и ожидалось, полученные результаты демонстрируют значительный рост утечек в сквозном лабиринте. За исключением локальногоℓ, значения коэффициентовперекрёстного коэффициента жёсткости жёсткости заметно снизились в сквозном лабиринте. Радиальная силауплотнения принимает практически нулевое значение.
Однако наблюдается увеличение прямого коэффициента демпфирования по сравнению с лабиринтом SSS-3.Влияние угла наклона гребешков на расход и динамические коэффициенты показано для лабиринтной конфигурации SSS-3 в табл. 6.2.Данные приведены для следующей рабочей точки: 0 = 0.2 МПа, 0 =136 м/с, = 750 об/мин, = 0.1 мм. Радиальный зазор под гребешкамиостаётся постоянным. Угол наклона гребешков измеряется от горизонтальной плоскости статора, причём < 90∘ соответствует гребешку,наклонённому в сторону зоны высокого давления.2876.1.
Характеристики лабиринтных уплотненийТаблица 6.1. Сравнение характеристик сквозного лабиринта и ступенчатого лабиринта SSS-3Отличие˙ [кг/с]0.15010.173415.5%ℓ[Н/мм]−42.72−20.84−51.2%ℓ[Н/мм]76.1789.4917.5% [Н/мм]−87.15−1.63−98.1% [Н/мм]102.6092.48−9.9% [Н·с/мм]0.1170.15431.6% [Н·с/мм]0.1110.103−7.2%Таблица 6.2. Влияние угла наклона гребешков в лабиринте SSS-3 [∘ ]607590105120˙ [кг/с]0.0620.0660.0710.0780.088 [Н/мм]1.7−10.6−31.0−27.8−2.6 [Н/мм]69.667.663.858.959.5 [Н·с/мм]0.0650.0580.0550.0590.068 [Н·с/мм]0.0290.0340.0380.0460.046Результаты демонстрируют, что уменьшение угла наклона приводит к снижению утечек.
По динамическим коэффициентам можно отметить, что прямые коэффициенты жёсткости и демпфирования принимают минимальные значения в случае прямых гребешков ( = 90∘ ). Перекрёстный коэффициент жёсткости уменьшается, тогда как перекрёстный коэффициент демпфирования растёт при увеличении угла наклонагребешков. Таким образом получается, что конфигурация с наименьшим расходом ( = 60∘ ) имеет максимальный перекрёстный коэффициент жёсткости, увеличенный прямой коэффициент демпфирования ипрактически нулевой прямой коэффициент жёсткости.В результате многокритериальной оптимизации по расходу и перекрёстному коэффициенту жёсткости получена улучшенная конфигурация лабиринтного уплотнения SSS-3.
Схемы рассматриваемых уплотнений показаны на рис. 6.9.2886.1. Характеристики лабиринтных уплотненийРис. 6.9. Базовая и улучшенная конфигурации лабиринта SSS-3Основным отличием улучшенной конфигурации по сравнению с базовой геометрией является неодинаковый наклон гребешков. Гребешокв зоне высокого давления имеет наибольший наклон, значение которогонепрерывно уменьшается в последующих камерах уплотнения. Геометрия кольца на валу претерпела заметные изменения. Симметричное положение кольца и второго гребешка нарушено в улучшенной конфигурации: гребешок сдвинут ближе к краю кольца в сторону повышенногодавления, а осевая длина кольца увеличена.
Осевая длина камер такжеизменилась. В базовой конфигурации длина камер между гребешкамибыла одинаковой, тогда как в улучшенной конфигурации длина первойкамеры уменьшилась, а второй увеличилась. Все переменные проектирования для улучшенного профиля принимают значения внутри диапазона наложенных ограничений.Для подтверждения улучшенных характеристик проведены расчёты для диапазона давлений. Фрагмент расчётной сетки для базового иулучшенного профиля лабиринтного уплотнения показан на рис. 6.10.Также на рис. 6.10 представлено сравнение распределений давления искоростей в продольном сечении двух профилей.
По распределению скорости можно видеть изменения в структуре течения в камерах улучшенного профиля по сравнению с базовой геометрией.На рис. 6.11 представлены результаты сравнения характеристик базовой и улучшенной конфигурации лабиринтного уплотнения для диапазона перепада давления 0.1. . . 0.9 МПа. Результаты приведены в от2896.1. Характеристики лабиринтных уплотненийа) Базовая конфигурацияб) Улучшенная конфигурацияРис. 6.10. Расчётная сетка и структура потока для базовой и улучшенной конфигураций SSS-3носительном виде: 1 означает базовую конфигурацию, значения < 1 говорят об уменьшении характеристики по сравнению с базовой конфигурацией, значения > 1 говорят об увеличении соответствующей характеристики.Для расходной характеристики выигрыш улучшенной конфигурации остаётся практически постоянным для всех давлений и составляетпримерно 14%.
Относительные изменения для прямых коэффициентовжёсткости и демпфирования также мало зависят от перепада давления.Выигрыш улучшенной конфигурации по сравнению с базовой уменьшается для перекрёстного коэффициента жёсткости с уменьшением перепада давления. Единственным коэффициентом, значения которого увеличились в улучшенной конфигурации, является перекрёстное демпфирование.Проведённые расчёты показывают, что помимо снижения расхода иперекрёстной жёсткости, улучшенная конфигурация также уменьшаетпрямой коэффициент демпфирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
