CC BY
97
УДК 62-672
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В КОЛЬЦЕВОМ УПЛОТНИТЕЛЬНОМ
ЗАЗОРЕ ТУРБОМАШИНЫ
А.В. Иванов, А.В. Москвичев, А.А. Цыганов
В статье рассмотрен процесс моделирования течения рабочего тела в кольцевом зазоре, образованном ротором и статором турбомашины, с использованием пакета Ио%гУІ8Іоп и приведены результаты первого этапа расчета
Ключевые слова: уплотнение, моделирование, эксперимент, давление, расход, плотность, скорость
Одним из важнейших направлений в совершенствовании турбомашин является
улучшение характеристик уплотнений проточной части. Это связано с тем, что повышение характеристик турбомашины путем
совершенствования лопаточной части обходится в 4-5 раз дороже, чем такое повышение, получаемое за счет совершенствования уплотнений [1]. Особую роль уплотнения играют в агрегатах малой размерности, где утечки могут составлять до 40 % от общего расхода через рабочее колесо [2].
Зачастую для выбора оптимального варианта уплотнения проточной части необходимо провести анализ и сопоставление большого числа уплотнений разных типов или уплотнительных комплексов. Традиционно эта задача решалась сочетанием инженерных методик расчета, применением методов математического моделирования и сравнительными экспериментальными работами. В настоящее время использование возможностей трехмерного моделирования течения рабочего тела позволяет свести к минимуму количество дорогостоящих физических экспериментов, заменить их
математическим моделированием.
Для проведения численных экспериментов использован отечественный программный комплекс FlowVision, предназначенный для трехмерного моделирования гидродинамики и теплообмена. Расчетные исследования и оптимизацию уплотнения предполагается проводить в несколько этапов:
1. Разработка расчетной модели уплотнения без вращения ротора.
2. Разработка расчетной модели уплотнения с вращением ротора.
3. Верификация расчетной модели с
использованием результатов натурных
экспериментов.
4. Корректировка расчетной модели.
5. Оптимизация уплотнительного узла.
6. Интеграция модели уплотнения в модели проточной части турбомашины.
7. Интеграция модели уплотнения в модель
Иванов Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 34-61-08, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Москвичев Александр Викторович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 34-61-08, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Цыганов Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 34-61-08, e-mail: rd-vgtu@mail.ru
расчета динамики ротора.
Для анализа было выбрано щелевое уплотнение водородной турбины ТНА ЖРД безгенераторной схемы.
При оптимизации планируется выполнить следующие расчеты, целью которых является минимизация расхода через уплотнение, исключение вредного влияния сил, возникающих в уплотнительном зазоре на динамические характеристики ротора. В процессе оптимизации планируется учесть влияние на характеристики уплотнения следующих факторов:
1) шероховатости;
2) несоосности и перекоса осей роторного и статорного элементов уплотнения;
3) отклонений формы роторного и статорного элементов уплотнения;
4) силовых и температурных деформаций элементов уплотнения при работе;
5) формы уплотнительного зазора;
6) условий входа и выхода рабочего тела в уплотнительный зазор и из него.
В статье представлены результаты первого этапа анализа уплотнения - создание расчетной модели без вращения ротора. Для того, чтобы сравнить расходные характеристики использовались поля скорости и давления в уплотнительном зазоре. Кроме того, полученные характеристики уплотнения используются для определения
гидродинамических сил в уплотнительном зазоре, которые учитываются при анализе динамических характеристик и устойчивости высокооборотных роторов агрегатов. Итогом работ должны стать рекомендации по расчету и проектированию
уплотнений проточной части высокооборотных турбомашин. А в дальнейшем включение модели уплотнения в модель проточной части
турбомашины.
На первом этапе расчетного исследования для верификации расчетной модели с имеющимися экспериментальными данными [4] в качестве рабочего тела выбран воздух с температурой на входе в уплотнение ~300 К. Для сравнительного анализа были выбраны щелевые уплотнения с полуподвижными кольцами с различными относительными зазорами Ж/0=0,00175 и
0,0010625. Они прошли цикл испытаний на воздухе в составе специального имитатора (рис. 1, 2) как с
вращением, так и без вращения при неподвижном роторе.
Рис. 1. Имитатор с турбоприводом на стенде
Рис. 2. Схема имитатора и расположения
измерительных приборов на имитаторе:
1 - подвод воздуха; 2 - замер давления до модельного кольца; 3 - замер температуры до модельного кольца; 4 -замер давления после модельного кольца; 5 - замер температуры после модельного уплотнения; 6 -
регулируемый дроссель; 7 - замер давления до
расходомера; 8 - замер температуры до расходомера; 9 -расходомер; 10 - замер давления после расходомера; 11 -отвод воздуха; 12 - датчик виброускорений плавающего подшипника; 13 - датчик виброускорений упорного подшипника; 14 - датчик виброускорений корпуса выхода
Область течения рабочего тела была построена с использованием программного продукта SolidWorks, предназначенного для трехмерного проектирования. Затем геометрическая модель была передана в FlowVision [3] для
дальнейшего расчета. В расчете используем модель полностью сжимаемой жидкости, которая описывает как стационарное, так и нестационарное течение газа при любых числах Маха (до-, транс-, сверх- и гиперзвуковые течения). В модель входит уравнение Навье-Стокса, которое имеет следующий вид:
дУ УР 1
—+ У(У • V) =------+ — У((М + М>). (УУ +
д1 Р Р
+(УУ )т)) + 5,
где источник 8 равен 5 = (1 - ) • g + В + К;
Р Р
Р и РЬуа - плотность и гидростатическая
плотность жидкости;
В - силы вращения (Кориолиса и центробежная);
К - силы изотропного и (или) анизотропного фильтра сопротивления;
Р - относительное давление;
V - вектор относительной скорости;
/и и ^ - молекулярная и турбулентная
динамические вязкости;
I - время;
g - вектор силы тяжести.
Помимо этого, в модели используются уравнения энергии и уравнения конвективнодиффузионного переноса концентрации примеси. В решении нашей задачи мы используем только уравнение Навье-Стокса, т. к. нас интересует распределение скоростного потока в узком канале, образованного ротором и статором. На настоящем -первом этапе расчетного исследования, расчет выполнялся при невращающемся роторе.
В качестве начальных условий задаются данные, полученные в результате реального эксперимента:
- на входе в расчетную область задается давление рабочего тела
- на выходе из расчетной области задаем давление выхода.
Далее задаем граничные условия. Задание и построение расчетной сетки производилось в программном комплексе FlowVision благодаря встроенному генератору сетки. Задаем неравномерную расчетную сетку со сгущением в области расчетного канала по трем осям. После генерации сетки начинается решение поставленной задачи, анализируются полученные данные, а затем принимается решение об остановке или продолжении расчета.
На рис. 3-5 представлены результаты
численного моделирования высокоскоростного потока в уплотнительном зазоре турбомашины с зазором дБ/Б = 0,00175.
Рис. 3. Распределение давления по длине зазора
Рис. 4. Распределение скорости по длине зазора
Рис. 5. Распределение плотности по длине зазора
Отличие экспериментально определенного значения расхода через уплотнения и расхода, полученного при численном моделировании, отличаются на 4,2 %. Для более точного
определения корректности полученной модели
необходимо провести расчет для соотношения дБ/Б=0,0010625, расчет для обоих вариантов относительных зазоров при различных перепадах давления. Аналогичные работы необходимо провести не только для газа, но и для жидкости, сопоставить полученные результаты с экспериментальными данными.
Следует отметить, что представленный подход к расчету может быть использован не только для щелевых уплотнений, но и для любых типов уплотнений проточной части. На следующих этапах расчетного исследования планируется выполнить расчет применительно к газообразному водороду, добавить вращение ротора, выполнить оптимизацию геометрических характеристик уплотнения.
Полученные в настоящее время результаты позволяют говорить о корректности разработанной модели уплотнения, правильности выбранного подхода к разбиению расчетной области на конечные элементы, возможности проведения дальнейших расчетных исследований уплотнений на базе этой модели.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013, ГК № 14.740.11.0152.
Литература
1. Антонов А.Н. Исследование характеристик щеточных уплотнений авиационных ГТД / А.Н. Антонов, Н.К. Аксенов, Е.К. Межзиль, А.А. Струков // Аннотации докладов 5-го Международного научно-технического симпозиума «Авиационные технологии 21 века». Секция 3. Жуковский, 1999.
2. Ферст Р.Б. Малорасходные центробежные насосы ЖРД небольших тяг / Р.Б. Ферст, Р.М. Бергесс, Н.К. Галбрендсен, Д. Д. Шер // Аэрокосмическая техника.
- 1987. - № 11 - С. 119-128.
3. Руководство пользователя FlowVision версии 2.5.4.Росия, М. ООО «Тезис», 1999-2008.
4. Иванов А.В. Исследование уплотнений с полуподвижными кольцами для турбин турбонасосных агрегатов / А.В. Иванов // Полет. М.: Машиностроение, 2003, № 1. - С. 50 - 54.
Воронежский государственный технический университет
MODELING FLOW IN RING SEALING GAP BETWEEN TURBOMACHINE
ROTOR AND STATOR
A.V. Ivanov, A.V. Moskvichev, A.A. Tsiganov
The article is about Process of modeling of a current of a working body in the ring backlash, what is made by rotor and stator turbomachine aggregate by the use of package FlowVision. At the article there are results of the first stage of calculation.
Key words: seal, modeling, experiment, pressure, density, velocity
