Диссертация (785882), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Щёточный пакет в конфигурации SSB также уменьшает закрутку3727.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнениеРис. 7.8. Формирование коэффициентов жёсткости в щёточно-лабиринтных уплотнениях BSS-1 и SSB-1потока, что, однако, приводит лишь к небольшому уменьшению итогового значения перекрёстного коэффициента жёсткости по сравнению сконфигурацией SSS.7.3. Методика оценки расхода через щёточноеуплотнение7.3.1. Базовые щёточные уплотненияВ данном разделе приведена разработанная методика оценки расхода через типичное щёточное уплотнение на основе обобщения массиваполученных данных, приведённых в предыдущих разделах работы (см.,также, [293]).Методика включает в себя четыре схемы исследованных щёточныхуплотнений B-1, B-2, B-3 и B-4, называемых базовыми конфигурациями(см. рис. 7.9 и раздел 2.7.3).Параметры базовых уплотнений сведены в табл. 7.1.
Рассматриваются шесть различных щёточных пакетов (схема B-2 представлена тремя пакетами).Набор щёточных уплотнений включает в себя два различных изго-3737.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнениеB-1B-2B-3p0B-4p0p0p0Рис. 7.9. Схемы базовых щёточных уплотненийТаблица 7.1. Параметры базовых щёточных пакетовB-1B-2AB-2BB-2CB-3B-4Ном. рад. зазор [мм]0.310.210.210.210.00.0Диаметр проволоки [мкм]707070150168150Плотность упаковки [шт/мм]2002002005047.6450Угол наклона волокон [∘ ]454545454545Длина волокна [мм]151015151515Ном.
толщина пакета [мм]2.01.981.881.882.02.0Рад. зазор кольца [мм]1.081.421.421.421.21.2Диаметр вала [мм]180.05179.98179.98179.98179.86179.86Миним. толщина пакета [мм]1.211.211.211.41.661.4товителя (волокна в пакете B-3 закреплены с помощью сварного соединения, в остальных случаях волокна закреплены с помощью механического крепления), два различных типоразмера диаметра проволокии плотности упаковки волокон, четыре различные конструкции колец(обоймы) уплотнения, уплотнения с нулевым и положительным номинальными радиальными зазорами между щёточным пакетом и поверхностью вала.Все пакеты изготовлены из металлической микропроволоки (сплавHaynes 25). Диаметр вала в рассмотренных конфигурациях отличаетсянезначительно.Значения длины волокон и номинальной толщины щёточного пакета в табл.
7.1 являются ориентировочными из-за неопределённостив определении и измерении данных параметров. Последняя строка втабл. 7.1 содержит теоретические значения минимальной толщины пакета при максимальном сжатии, рассчитанные с помощью ур. (2.8).3747.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнение7.3.2. Характеристики расхода, радиального зазора и сжатияпакета базовых уплотненийРис. 7.10 содержит обобщённые экспериментальные данные по расходной характеристике базовых щёточных уплотнений.Значения расхода приведены в терминах эффективного радиального зазора, который определяется согласно ур. (6.1а). Представленныеданные получены путём определения локального перепада давления через щёточное уплотнения в конфигурациях SSB.На рис.
7.10 представлены осреднённые зависимости эффективного зазора от перепада давления через щёточный пакет. Вертикальныеотрезки демонстрируют разброс экспериментальных данных, которыйобусловлен в первую очередь эффектом гистерезиса, возникающим приувеличении и уменьшении перепада давления через уплотнение.Экспериментальные значения эффективного зазора в зависимостиот перепада давления аппроксимируются с помощью следующей степенной функции:ℎ = () = 1 2 + 3 ,(7.4)где – неизвестные коэффициенты аппроксимации.Ряд базовых щёточных уплотнений (схемы B-1 и B-2) имеют положительный номинальный радиальный зазор.
Обобщённые экспериментальные данные по закрытию свободного зазора при возникновении перепада давления через уплотнения B-1 и B-2 приведены на рис. 7.11.Данные для конфигурации B-2C разделяются на начальные измерения (конфигурация B-2C-0) и повторные измерения после завершениявсех экспериментальных исследований (конфигурация B-2C-1). Как было описан выше, экспериментальные данные были получены с помощьюфотокамеры и последующей обработки снимков.Вертикальные отрезки на рис. 7.11 также демонстрируют эффектгистерезиса для уплотнений B-2A, B-2B и B-2C: верхние границы соответствуют увеличению давления, тогда как нижние значения соответствуют падению давления.Приведённые безразмерные значения радиального зазора представляют собой отношение фактического радиального зазора в щёточном3757.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнениеРис. 7.10.
Экспериментальный расход базовых уплотненийпакете к радиальному зазору упорного кольца (см. табл. 7.1).Экспериментальные значения безразмерного свободного радиального зазора в зависимости от перепада давления аппроксимируются спомощью следующей экспоненциальной функции:ℎ = () = ℎ1 exp ℎ2 + ℎ3 exp ℎ4 ,(7.5)где ℎ – неизвестные коэффициенты аппроксимации.Коэффициенты аппроксимационных зависимостей для эффективного зазора и безрамерного остаточного радиального зазора, полученные с использованием метода наименьших квадратов, сведены для базовых щёточных уплотнений в табл.
7.2.Экспериментальные данные по расходу и зазору, представленныевыше, дополнены расчётными зависимостями по изменению толщиныщёточного пакета в осевом направлении при возникновении перепададавления. Зависимости были получены с помощью базовой аэродинамической модели на основе методов вычислительной гидродинамики,описывающей течение воздуха в щёточном уплотнении.Пакет щёточного уплотнения рассматривается как пористая среда3767.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнениеРис. 7.11. Экспериментальный радиальный зазор базовых уплотнений(модель M-3). При этом значения толщины пакета определялись путёмкалибровки модели пористой среды для каждого значения давления сиспользованием экспериментальных данных по расходу и свободномурадиальному зазору, приведённых выше.Расчётные значения толщин щёточных пакетов для всех рассмотренных базовых уплотнений приведены на рис. 7.12.
Безразмерные значения толщины представляют собой отношение фактической толщиныпакета к теоретически минимальному значению min(см. табл. 7.1).Результаты по изменению толщины пакета показывают, что длябольшинства щёточных уплотнений основной процесс сжатия пакетапроисходит при малых перепадах давления. Лишь два щёточных уплотнения (B-1 и B-2A) демонстрируют значительное уменьшение толщиныпакета при увеличении перепада давления.3777.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнениеТаблица 7.2.
Коэффициенты регрессии экспериментальных зависимостей расхода и радиального зазора базовых ЩУB-1B-2AB-2BB-2C-0B-2C-1B-3B-4Эффективный зазор [мкм]1103.5−7919.0−0.03643−508.12−0.1835−27.912.149−15.883−2.883111.0133.781.0−36.94−3290.0−1.167−8.54952.7278.78Безразмерный радиальный зазор [-]ℎ10.32120.56020.067761.0113.299ℎ2−1.804−2.663−10.03−2.966−4.526ℎ30.043370.11980.032870.068280.09412ℎ4−0.08823−0.0786−0.4287−0.04407−0.06252Рис.
7.12. Расчётные зависимости сжатия щёточного пакета базовыхуплотнений3787.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнение7.3.3. Инженерный подход для оценки расхода черезщёточное уплотнениеПриведённые выше аппроксимационные функции основных характеристик базовых щёточных уплотнений в зависимости от перепада давления позволяют сформулировать упрощённый инженерный подход коценке значения расхода через типичное щёточное уплотнение, состоящий из трёх шагов.Вначале, на основе параметров щёточного уплотнения, для которого необходимо провести оценку расхода, выбирается наиболее близкий тип базового щёточного уплотнения из табл.
7.1 и рис. 7.11. Приэтом сравниваются, в первую очередь, такие параметры, как номинальный радиальный зазор, диаметр проволоки, радиальный зазор упорногокольца, геометрия упорных и защитных колец, плотность упаковки.Угол наклона волокон, длина волокон и номинальная толщина щёточного пакета также могут оказывать заметное влияние на расходнуюхарактеристику. Эти параметры, однако, можно отнести в данном случае к второстепенным. Они не рассматриваются в предложенной методике из-за ограниченного набора имеющихся данных и отсутствия дополнительной информации.После выбора типа базового щёточного уплотнения с помощью аппроксимационных зависимостей, показанных на рис.
7.10 и табл. 7.2,определяется значение эффективного зазора щёточного уплотнения длязаданного перепада давления. Оценка проводится лишь исходя из перепада давления через уплотнение. Влияние скорости вращения и эксцентричного положения вала, а также закрутки потока газа на величинурасхода в данном случае не рассматривается.Фактическое значение расхода через щёточное уплотнение, для которого выполняется оценка, определяется пересчётом значения эффективного зазора по следующей формуле, см.
ур. (6.1а):˙ =0 √ℎ .0(7.6)Для простой иллюстрации проведём оценку расхода для следующих параметров: диаметр вала 88 мм, давление на входе 0.4 МПа, дав3797.4. Применение описанных подходов в практических расчётахление на выходе 0.1 МПа, температура на входе 25∘ , среда – воздух. Дляперепада давления в 0.3 МПа, согласно рис. 7.10, имеем следующий диапазон значений эффективного зазора: 42 мкм и 132 мкм для щёточныхуплотнений B-3 и B-2B соответственно.С помощью ур.
(7.6) пересчитываем значение расхода через щёточное уплотнение диаметром 88 мм. Для указанных условий имеем следующие оценочные значения расхода: 10.87 г/с (в случае базового ЩУB-3) и 34.17 г/с (в случае базового ЩУ B-2B).Для трёхгребешкового ступенчатого лабиринтного уплотнения SSSпри диаметре вала в 88 мм и перепаде давления в 0.3 МПа получаем поописанной методике значения расхода 0.049 кг/с при зазоре под гребешками в 0.27 мм и 0.070 кг/с при зазоре в 0.5 мм.Дополнительно проведём оценку значения радиального зазора подгребешками в трёхгребешковом лабиринтном уплотнении, при которомзначение расхода будет соответствовать расходу через щёточное уплотнение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
