基于FLUENT迷宮密封動(dòng)力特性分析_圖文

1、文章編號(hào):10050329(2008 08002404基于F LUE NT 迷宮密封動(dòng)力特性分析孫婷梅, 鄭水英(浙江大學(xué), 浙江杭州310027摘要:利用CF D 有限元軟件Fluent 計(jì)算迷宮密封三維流場(chǎng), , 并研究了偏心率、入口預(yù)旋、渦動(dòng)速度對(duì)轉(zhuǎn)子密封動(dòng)力特性的影響。計(jì)算結(jié)果表明, 入口預(yù)旋越大交叉剛度越大;線性。關(guān)鍵詞:迷宮密封; 氣流激振;中圖分類號(hào):TH113D i c Coeff i c i en t Ana lysis of Labyr i n th Sea l Ba sed on FL UENTS UN Ting 2mei, ZHE NG Shui 2ying(Zheji

2、ang University, Hangzhou 310027, China Abstract:Fluent was used in calculating three di m ensi onal fl ow field of labyrinth seal . A new method of calculating the r ot or 2 dynam ic coefficient is put for ward . Study the influences of a series of fact ors on dyna m ic coefficients of r ot or labyr

3、inth seal sys 2 te m, such as eccentricity, inlet tangential vel ocity, whirling vel ocity . The nu merical results show that inlet tangential vel ocity is the main fact or of cr oss stiffness, the bigger the inlet tangential vel ocity is, the lager the cr oss stiffness will be . A s eccentricity be

4、comes large, the direct stiffness and the cr oss da mp ing change s mallwhile the cr oss stiffness and the direct da mp ing are nonlin 2 ear . Thus the cr oss stiffness and the direct da mp ing have the i m portant effect on the stability of r ot or .Key words:labyrinth seal; gas 2excited vibrati on

5、; dyna m ic coefficient1前言迷宮密封氣流激振是透平壓縮機(jī)機(jī)組產(chǎn)生失穩(wěn)的主要原因, 所以研究迷宮密封動(dòng)力特性的影響因素對(duì)減小氣流激振力、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究, 他們多是基于單控體、雙控體、八參數(shù)模型、Muszynska 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)氣流激振進(jìn)行研究, 具有一定的局限性13。國(guó)外多應(yīng)用CF D 程序?qū)γ芊鈩?dòng)力特性進(jìn)行研究, Jeffrey Moore 應(yīng)用Sciseal 計(jì)算8齒迷宮密封動(dòng)力特性4; Kirk 等人利用Tasc 2 fl ow 計(jì)算分析了壓縮機(jī)和汽輪機(jī)的迷宮密封動(dòng)力特性5。國(guó)內(nèi)劉曉峰應(yīng)用CF D 有限元軟件Fluent 對(duì)

6、密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值分析, 并計(jì)算了密封動(dòng)力特性系數(shù), 但他基于線性模型, 沒有考慮 非線性特性的影響6; 金琰、何立東等通過編程進(jìn)行了三維轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)氣流激振的研究, 考慮了非線性影響因素并研究了轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性7、8。本文借助于Fluent 計(jì)算密封流場(chǎng)受力, 考慮非線性特性的影響, 建立迷宮密封轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性系數(shù)的計(jì)算模型, 研究偏心率、入口預(yù)旋、渦動(dòng)速度對(duì)迷宮密封動(dòng)力特性的影響, 對(duì)迷宮密封氣流激振的防治提供參考依據(jù)。2密封動(dòng)力特性系數(shù)的計(jì)算密封腔內(nèi)的氣體流動(dòng)實(shí)際上是一種復(fù)雜的三維紊流過程, 因此本文計(jì)算采用可壓縮軸對(duì)稱流動(dòng)的雷諾平均Navier -St okes 方程及k -湍流模型

7、來描述, 可以將方程寫成如下通用形式:收稿日期:2008020242F LU I D MACH I N ERY Vol 136, No 108, 2008t+div (pu < =div (grad < +S (1式中<、S 通用變量、擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)當(dāng)<、S 取不同的值時(shí), 式(1 分別代表連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能方程以及耗散率方程。對(duì)式(1 的離散采用有限體積法, 連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程的離散格式為二階迎風(fēng)格式, 湍動(dòng)能和耗散率方程采用一階迎風(fēng)格式。壓力插值格式采用標(biāo)準(zhǔn)插值 , 壓力速度耦合采用SI M P LE 算法。, 小, 的。當(dāng)轉(zhuǎn)子在某一偏心

8、處受到位移或速度擾動(dòng)時(shí), 氣體作用在轉(zhuǎn)子上的反力就會(huì)發(fā)生變化, 該力與擾動(dòng)之間的關(guān)系一般是非線性的, 當(dāng)擾動(dòng)很小時(shí), 為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 可以通過泰勒級(jí)數(shù)展開將這種關(guān)系線性化:-F t F =k xx k xy k yx k +c xx c xy c yx c (2式中F r 、F t 氣體力的徑向和切向分量系數(shù)矩陣即為迷宮密封在該偏心條件下的剛度和阻尼系數(shù)?？紤]到速度與位移擾動(dòng)的非線性關(guān)系, 這些系數(shù)在不同擾動(dòng)條件下可能是變化的。迷宮密封的動(dòng)力特性系數(shù)計(jì)算分二步進(jìn)行。第一步計(jì)算剛度系數(shù), 首先計(jì)算在偏心e 0、沒有速度擾動(dòng)條件下的流場(chǎng)分布及作用在轉(zhuǎn)子上的氣體力F r 、F t , 然后計(jì)算位移擾

9、動(dòng)為e 條件下的氣流力F r 、F t , 由此可根據(jù)剛度的定義得到:k yy =-F -F ek yx =-F t -F te(3根據(jù)x 、y 軸的對(duì)稱性, 可得k xx =k yy =K; k xy =-k yx =k, 即可求得主剛度K 、交叉剛度k 。注意, 這里計(jì)算得到的是偏心e 0處的剛度, 考慮到剛度系數(shù)的非線性特性, 偏心變化時(shí), 剛度系數(shù)可能也會(huì)變化, 為此須分別計(jì)算不同偏心率下的剛度系數(shù)。第二步計(jì)算阻尼系數(shù), 由于x 、y 軸的對(duì)稱性同樣有阻尼系數(shù)c xx =c yy =D, c xy =-c yx =d 。假設(shè)轉(zhuǎn)子軸心o 繞坐標(biāo)中心o 做圓軌跡渦動(dòng), 則每個(gè)位置所受的徑向

10、力、切向力相等。如圖1所示, e 為偏心即渦動(dòng)半徑, 為轉(zhuǎn)子渦動(dòng)角速度, 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度?？紤]到剛度、阻尼率隨偏心、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是變化的, 所以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變的情況下計(jì)算每一個(gè)偏心e 在無渦動(dòng)速度時(shí)作用在轉(zhuǎn)子上的氣體力F t 0、F r 0以及渦動(dòng)速度為時(shí)氣體力F t 1、F r 1, 根據(jù)式(2 :D t 1er r 0e(4 圖1在靜子中渦動(dòng)受力3迷宮密封模型及邊界條件3. 1密封模型及工作條件應(yīng)用Fluent 軟件計(jì)算迷宮密封流場(chǎng)和動(dòng)力特性。此密封為直通式迷宮密封, 密封幾何參數(shù)和工作條件如表1所示。表1密封幾何參數(shù)和工作條件項(xiàng)目數(shù)值項(xiàng)目數(shù)值齒數(shù)7出口壓力(MPa 0. 1密封間隙(mm

11、0. 3入口壓力(MPa 0. 65轉(zhuǎn)軸直徑(mm 170齒高(mm 4. 6流體理想氣體入口溫度(K 3003. 2邊界條件入口邊界條件指定:入口總壓、靜壓、總溫、流體流動(dòng)方向分量, 設(shè)置湍流強(qiáng)度和湍流粘度比率; 出口邊界條件指定:出口設(shè)置靜壓; 轉(zhuǎn)子設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)速度; 固體壁面溫度邊界取絕熱條件, 壁面無滑移; 在入口設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系加氣體預(yù)旋速度。4計(jì)算結(jié)果與分析522008年第36卷第08期流體機(jī)械4. 1漏氣量及軸向壓力分布與經(jīng)驗(yàn)公式比較由表2對(duì)比結(jié)果可以看出, 用Fluent 計(jì)算迷宮密封泄漏量及第6齒壓力值與公式計(jì)算結(jié)果相比誤差較小, 驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。表2公式計(jì)算與Fluent

12、 計(jì)算的泄漏量及第6個(gè)齒腔壓力結(jié)果比較項(xiàng)目Fluent 計(jì)算公式計(jì)算偏差(% 泄漏量(kg/s 0. 1580. 1675. 7第6個(gè)齒腔壓力(MPa 0. 3390. 3554. 74. 2無預(yù)旋、轉(zhuǎn)軸無渦動(dòng)條件下靜態(tài)氣體力及相應(yīng)剛度系數(shù)流場(chǎng)及壓力分布 , , :1200rad /s , , 無預(yù)旋, 轉(zhuǎn)軸沒有渦動(dòng)。圖2給出了迷宮密封前兩個(gè)腔內(nèi)的速度情況, 壓力場(chǎng)分布情況如果用云圖表示看不清, 為此將第五個(gè)密封腔轉(zhuǎn)軸表面的壓力值取出畫成曲線(見圖3 , =0°處表示間隙最大的地方, =180°處表示間隙最小的地方(如圖1所示 。圖2第一、二齒腔軸向截面速度分布由圖3可以看

13、出周向壓力大致呈余弦分布,此結(jié)果與文獻(xiàn)9試驗(yàn)結(jié)果相吻合。當(dāng)轉(zhuǎn)軸有一向下的靜位移時(shí)(如圖1所示 , 該密封腔內(nèi)上部(間隙大 的壓力大于下部(間隙小 的壓力, 轉(zhuǎn)軸受到一個(gè)向下的氣體力。應(yīng)該說明的是:各腔的壓力分布情況不同, 由此形成的氣體力也是不同的, 計(jì)算結(jié)果表明前兩個(gè)齒腔的氣體力向上, 后幾個(gè)齒腔氣體力向下, 當(dāng)齒數(shù)少、壓差小時(shí)轉(zhuǎn)子受到的氣體力向上, 該模型氣體力向下所以迷宮密封產(chǎn)生的主剛度是負(fù)值。同時(shí)轉(zhuǎn)子偏心率與受力情況的計(jì)算結(jié)果如圖 4所示, 從圖4 中可以看出, 在偏心率較小的情況下, 轉(zhuǎn)軸受力與偏心率基本呈線性關(guān)系, 偏心率較大時(shí)呈現(xiàn)出明顯的非線性特性, 由此可以計(jì)算得到剛度系數(shù)如表

14、3所示。由表3可以看出:偏心率較小時(shí), 主剛度和交叉剛度變化不大, 因?yàn)榭偟臍怏w力較小, 迭代精度的影響相對(duì)較大, 而考慮到計(jì)算時(shí)間, 沒有采用過多的迭代次數(shù), 由此導(dǎo)致了一定的計(jì)算誤差。而偏心較大時(shí), 不論是交叉剛度還是主剛度都有明顯的變化。圖3第五個(gè)齒腔壁面周向壓力分布圖4轉(zhuǎn)子偏心率與轉(zhuǎn)子受力關(guān)系表3轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1200rad /s 、無預(yù)旋、無渦動(dòng)時(shí)密封剛度系數(shù)(×103N /m偏心0. 10. 20. 30. 40. 5主剛度-68. 38-61-66. 8-68. 53-69. 67交叉剛度-55. 23-57. 67-69. 1-65. 9-37. 33偏心0. 60. 70

15、. 80. 9主剛度-81. 33-73. 33-83. 33-40交叉剛度-88-46. 33-28. 24. 84. 3預(yù)旋速度對(duì)氣體力及剛度系數(shù)的影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1200rad /s 在入口處設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系加預(yù)旋速度, 方向?yàn)槟鏁r(shí)針, 入口周向預(yù)旋速度分別為34、64m /s, 轉(zhuǎn)子偏心率與轉(zhuǎn)子受力關(guān)系, 如圖5所示。從圖可知, 預(yù)旋速度使切向力明顯增加, 而對(duì)徑向力的影響不大。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1200rad /s 、入口周向預(yù)旋速度為34、64m /s, 轉(zhuǎn)子在不同偏心率下剛度如圖6所示。如圖可以看出入口預(yù)旋對(duì)主剛度K 影響不大, 交叉剛度k 隨入口預(yù)旋變化比較明顯, 且偏心率越大剛度的非線性越明

16、顯。由于交叉剛度是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素, 因此減小入口周向預(yù)62F LU I D MACH I N ERY Vol 136, No 108, 2008旋可以提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖5轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速34、64m s 圖6不同預(yù)旋速度時(shí)轉(zhuǎn)子剛度隨偏心率的變化4. 4存在速度擾動(dòng)時(shí)的氣體力及相應(yīng)阻尼系數(shù)轉(zhuǎn)子渦動(dòng)方向也是逆時(shí)針方向, 自轉(zhuǎn)速度無變化, 無預(yù)旋, 由于Fluent 只能計(jì)算穩(wěn)態(tài)條件下的流動(dòng), 為此假設(shè)轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)軌跡為圓,并設(shè)置坐標(biāo)系以轉(zhuǎn)子渦動(dòng)速度轉(zhuǎn)動(dòng), 這樣在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中就轉(zhuǎn)化成了穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。 圖7轉(zhuǎn)子在不同渦動(dòng)速度下氣體力從圖7可以看出轉(zhuǎn)軸所受的切向力隨渦動(dòng)的增加而增大, 而且切向力方向

17、與轉(zhuǎn)軸渦動(dòng)的速度方向一致, 因此它會(huì)促使轉(zhuǎn)軸的渦動(dòng)速度增加, 很明顯, 這個(gè)切向力是使轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的主要因素。從計(jì)算結(jié)果(圖8 可以看到, 阻尼系數(shù)隨著渦動(dòng)速度的增加而增大, 交叉阻尼系數(shù)d 隨偏心變化不大, 而主阻尼系數(shù)D 隨偏心變化明顯。在小偏心率下氣體力變化相對(duì)比較小, 所以由于計(jì)算精度的影響,在偏心率為0. 2處阻尼系數(shù)出現(xiàn)了波動(dòng)。圖8轉(zhuǎn)子不同渦動(dòng)速度各偏心率下密封阻尼系數(shù)5結(jié)論(1 本文借助于Fluent 軟件計(jì)算密封流場(chǎng)受力, 建立了迷宮密封動(dòng)力特性系數(shù)的計(jì)算模型, 考慮偏心、入口預(yù)旋、渦動(dòng)對(duì)迷宮密封特性的影響, 模型較合理;(2 入口預(yù)旋是產(chǎn)生交叉剛度的主要原因,入口預(yù)旋越大交叉剛度

18、越大, 減小周向速度可以提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性;(3 阻尼隨渦動(dòng)速度的增加而增大;(4 主剛度和交叉阻尼隨著偏心率24變化基本上是線性, 而交叉剛度和主阻尼隨偏心呈現(xiàn)明顯的非線性。因此交叉剛度和主阻尼是影響密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。參考文獻(xiàn)1Muszynska A A. A whirl and whi p r ot or/bearingstabil 2ity p r oble m J .Journal of s ound and V ibrati on, 1986, 110(3 :4432463.2Muszynska A A, Bently D E . Frequency -s wep t r

19、ota 2ting input perturbati on techniques and identificati on of the fluid force models in r ot or/bearing/seal syste m s and fluid handling machinesJ .Journal of Sound andV ibrati on, 1990, 143(1 :1032124.(下轉(zhuǎn)第88頁 信息經(jīng)緯分明打造傳動(dòng)控制業(yè)精英盛會(huì)2008亞洲國(guó)際動(dòng)力傳動(dòng)與控制技術(shù)展今秋上海再展風(fēng)采一年一度的亞洲國(guó)際動(dòng)力傳動(dòng)與控制技術(shù)展覽會(huì)(覽中心盛大舉行。, 已發(fā)展成為目前同類展會(huì)中

20、亞洲最大、, 預(yù)計(jì)將吸引超過1, 200家參展商在本屆展會(huì), , 將從去年開始推行的“領(lǐng)域細(xì)分”提升一個(gè)臺(tái)階, 裝備、產(chǎn)品的需求主流, 準(zhǔn)確把握住了從總體來看, 主辦方以機(jī)械傳動(dòng)/電氣傳動(dòng)與零部件、流體傳動(dòng)與控制、壓縮空氣技術(shù)、機(jī)械零部件、緊固件/彈簧及專用裝備、軸承和內(nèi)燃機(jī)作為“緯線”, 以典型的熱門需求行業(yè)如汽車、紡織、建筑、包裝、塑料、電子、機(jī)床、航空、石油化工等為“經(jīng)線”, 明確標(biāo)識(shí)出亞洲動(dòng)力傳動(dòng)展服務(wù)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的“脈絡(luò)”, 使觀眾觀展目的明確, 針對(duì)性強(qiáng), 為展商與觀眾搭建更有效直觀的交流平臺(tái)。在主辦方的大力協(xié)調(diào)組織下, 今年展會(huì)仍將延續(xù)國(guó)際化大展的風(fēng)格, 繼續(xù)迎來德國(guó)、意大利、美國(guó)、

21、英國(guó)、法國(guó)、西班牙、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等八個(gè)國(guó)家和地區(qū)的國(guó)際展團(tuán)。2008亞洲動(dòng)力傳動(dòng)展不僅展會(huì)規(guī)模龐大, 展商眾多, 隨展活動(dòng)也極具專業(yè)性。針對(duì)當(dāng)下伴隨工業(yè)制造業(yè)、汽車工業(yè)等主機(jī)行業(yè)發(fā)展而走俏的緊固件、彈簧及專用裝備工業(yè), 展會(huì)期間將召開“核電、風(fēng)電與機(jī)械零部件技術(shù)報(bào)告會(huì)”、“2008中國(guó)緊固件專業(yè)協(xié)會(huì)年會(huì)”、“緊固件鋼材技術(shù)報(bào)告會(huì)”、“彈簧技術(shù)報(bào)告會(huì)”、“緊固件供應(yīng)商、采購商見面會(huì)”, 共同探討實(shí)現(xiàn)行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的方針策略。此外, “中國(guó)液壓氣動(dòng)密封行業(yè)企業(yè)家論壇”、“中國(guó)國(guó)際機(jī)械傳動(dòng)工業(yè)發(fā)展論壇”、“2008國(guó)際動(dòng)力傳動(dòng)與控制技術(shù)論壇”、“壓縮機(jī)技術(shù)應(yīng)用月行業(yè)發(fā)展論壇”等一系列精彩紛呈的行業(yè)活動(dòng), 將為各方提供與名家、高層交流分享觀念的理想平臺(tái)。2008亞洲國(guó)際動(dòng)力傳動(dòng)與控制技術(shù)展覽會(huì)由中國(guó)液壓氣動(dòng)密封件工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)機(jī)械通用零部件工業(yè)協(xié)會(huì)、德國(guó)漢諾威展覽公司、漢諾威展覽(上海 有限公司和中國(guó)軸承進(jìn)出口聯(lián)營(yíng)公司聯(lián)合承辦。同期舉行2008亞洲國(guó)際物流技術(shù)與運(yùn)輸系統(tǒng)展覽會(huì), 兩大工業(yè)展會(huì)同臺(tái)亮相, 必將為亞洲地區(qū)的相關(guān)行業(yè)帶來無限商機(jī)!(上接第27頁3李松濤, 許慶余, 萬方義