基于FLUENT迷宮密封動力特性分析

1、文章編號:10050329(2008 08002404基于F LUE NT 迷宮密封動力特性分析孫婷梅, 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 計算迷宮密封三維流場, , 并研究了偏心率、入口預(yù)旋、渦動速度對轉(zhuǎn)子密封動力特性的影響。計算結(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: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機組產(chǎn)生失穩(wěn)的主要原因, 所以研究迷宮密封動力特性的影響因素對減小氣流激振力、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。國內(nèi)外許多學(xué)者對此進行了研究, 他們多是基于單控體、雙控體、八參數(shù)模型、Muszynska 經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯饬骷ふ襁M行研究, 具有一定的局限性13。國外多應(yīng)用CF D 程序?qū)γ芊鈩恿μ匦赃M行研究, Jeffrey Moore 應(yīng)用Sciseal 計算8齒迷宮密封動力特性4; Kirk 等人利用Tasc 2 fl ow 計算分析了壓縮機和汽輪機的迷宮密封動力特性5。國內(nèi)劉曉峰應(yīng)用CF D 有限元軟件Fluent 對

6、密封轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了三維數(shù)值分析, 并計算了密封動力特性系數(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 計算密封流場受力, 考慮非線性特性的影響, 建立迷宮密封轉(zhuǎn)子動力特性系數(shù)的計算模型, 研究偏心率、入口預(yù)旋、渦動速度對迷宮密封動力特性的影響, 對迷宮密封氣流激振的防治提供參考依據(jù)。2密封動力特性系數(shù)的計算密封腔內(nèi)的氣體流動實際上是一種復(fù)雜的三維紊流過程, 因此本文計算采用可壓縮軸對稱流動的雷諾平均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、擴散系數(shù)和源項當(dāng)<、S 取不同的值時, 式(1 分別代表連續(xù)方程、動量方程、能量方程、湍動能方程以及耗散率方程。對式(1 的離散采用有限體積法, 連續(xù)方程、動量方程和能量方程的離散格式為二階迎風(fēng)格式, 湍動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時, 氣體作用在轉(zhuǎn)子上的反力就會發(fā)生變化, 該力與擾動之間的關(guān)系一般是非線性的, 當(dāng)擾動很小時, 為了簡化計算, 可以通過泰勒級數(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]到速度與位移擾動的非線性關(guān)系, 這些系數(shù)在不同擾動條件下可能是變化的。迷宮密封的動力特性系數(shù)計算分二步進行。第一步計算剛度系數(shù), 首先計算在偏心e 0、沒有速度擾動條件下的流場分布及作用在轉(zhuǎn)子上的氣體力F r 、F t , 然后計算位移擾

9、動為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, 剛度系數(shù)可能也會變化, 為此須分別計算不同偏心率下的剛度系數(shù)。第二步計算阻尼系數(shù), 由于x 、y 軸的對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, 則每個位置所受的徑向

10、力、切向力相等。如圖1所示, e 為偏心即渦動半徑, 為轉(zhuǎn)子渦動角速度, 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)速不變的情況下計算每一個偏心e 在無渦動速度時作用在轉(zhuǎn)子上的氣體力F t 0、F r 0以及渦動速度為時氣體力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 軟件計算迷宮密封流場和動力特性。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)和工作條件項目數(shù)值項目數(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、流體流動方向分量, 設(shè)置湍流強度和湍流粘度比率; 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計算結(jié)果與分析522008年第36卷第08期流體機械4. 1漏氣量及軸向壓力分布與經(jīng)驗公式比較由表2對比結(jié)果可以看出, 用Fluent 計算迷宮密封泄漏量及第6齒壓力值與公式計算結(jié)果相比誤差較小, 驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。表2公式計算與Fluent

12、 計算的泄漏量及第6個齒腔壓力結(jié)果比較項目Fluent 計算公式計算偏差(% 泄漏量(kg/s 0. 1580. 1675. 7第6個齒腔壓力(MPa 0. 3390. 3554. 74. 2無預(yù)旋、轉(zhuǎn)軸無渦動條件下靜態(tài)氣體力及相應(yīng)剛度系數(shù)流場及壓力分布 , , :1200rad /s , , 無預(yù)旋, 轉(zhuǎn)軸沒有渦動。圖2給出了迷宮密封前兩個腔內(nèi)的速度情況, 壓力場分布情況如果用云圖表示看不清, 為此將第五個密封腔轉(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9試驗結(jié)果相吻合。當(dāng)轉(zhuǎn)軸有一向下的靜位移時(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, 計算結(jié)果表明前兩個齒腔的氣體力向上, 后幾個齒腔氣體力向下, 當(dāng)齒數(shù)少、壓差小時轉(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。同時轉(zhuǎn)子偏心率與受力情況的計算結(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, 偏心率較大時呈現(xiàn)出明顯的非線性特性, 由此可以計算得到剛度系數(shù)如表

14、3所示。由表3可以看出:偏心率較小時, 主剛度和交叉剛度變化不大, 因為總的氣體力較小, 迭代精度的影響相對較大, 而考慮到計算時間, 沒有采用過多的迭代次數(shù), 由此導(dǎo)致了一定的計算誤差。而偏心較大時, 不論是交叉剛度還是主剛度都有明顯的變化。圖3第五個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、無渦動時密封剛度系數(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, 方向為逆時針, 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)旋速度時轉(zhuǎn)子剛度隨偏心率的變化4. 4存在速度擾動時的氣體力及相應(yīng)阻尼系數(shù)轉(zhuǎn)子渦動方向也是逆時針方向, 自轉(zhuǎn)速度無變化, 無預(yù)旋, 由于Fluent 只能計算穩(wěn)態(tài)條件下的流動, 為此假設(shè)轉(zhuǎn)子的渦動軌跡為圓,并設(shè)置坐標(biāo)系以轉(zhuǎn)子渦動速度轉(zhuǎn)動, 這樣在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中就轉(zhuǎn)化成了穩(wěn)態(tài)流場。 圖7轉(zhuǎn)子在不同渦動速度下氣體力從圖7可以看出轉(zhuǎn)軸所受的切向力隨渦動的增加而增大, 而且切向力方向

17、與轉(zhuǎn)軸渦動的速度方向一致, 因此它會促使轉(zhuǎn)軸的渦動速度增加, 很明顯, 這個切向力是使轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的主要因素。從計算結(jié)果(圖8 可以看到, 阻尼系數(shù)隨著渦動速度的增加而增大, 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比較小, 所以由于計算精度的影響,在偏心率為0. 2處阻尼系數(shù)出現(xiàn)了波動。圖8轉(zhuǎn)子不同渦動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 軟件計算密封流場受力, 建立了迷宮密封動力特性系數(shù)的計算模型, 考慮偏心、入口預(yù)旋、渦動對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)緯分明打造傳動控制業(yè)精英盛會2008亞洲國際動力傳動與控制技術(shù)展今秋上海再展風(fēng)采一年一度的亞洲國際動力傳動與控制技術(shù)展覽會(覽中心盛大舉行。, 已發(fā)展成為目前同類展會中

20、亞洲最大、, 預(yù)計將吸引超過1, 200家參展商在本屆展會, , 將從去年開始推行的“領(lǐng)域細(xì)分”提升一個臺階, 裝備、產(chǎn)品的需求主流, 準(zhǔn)確把握住了從總體來看, 主辦方以機械傳動/電氣傳動與零部件、流體傳動與控制、壓縮空氣技術(shù)、機械零部件、緊固件/彈簧及專用裝備、軸承和內(nèi)燃機作為“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、機床、航空、石油化工等為“經(jīng)線”, 明確標(biāo)識出亞洲動力傳動展服務(wù)整個產(chǎn)業(yè)的“脈絡(luò)”, 使觀眾觀展目的明確, 針對性強, 為展商與觀眾搭建更有效直觀的交流平臺。在主辦方的大力協(xié)調(diào)組織下, 今年展會仍將延續(xù)國際化大展的風(fēng)格, 繼續(xù)迎來德國、意大利、美國、

21、英國、法國、西班牙、韓國和中國臺灣等八個國家和地區(qū)的國際展團。2008亞洲動力傳動展不僅展會規(guī)模龐大, 展商眾多, 隨展活動也極具專業(yè)性。針對當(dāng)下伴隨工業(yè)制造業(yè)、汽車工業(yè)等主機行業(yè)發(fā)展而走俏的緊固件、彈簧及專用裝備工業(yè), 展會期間將召開“核電、風(fēng)電與機械零部件技術(shù)報告會”、“2008中國緊固件專業(yè)協(xié)會年會”、“緊固件鋼材技術(shù)報告會”、“彈簧技術(shù)報告會”、“緊固件供應(yīng)商、采購商見面會”, 共同探討實現(xiàn)行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的方針策略。此外, “中國液壓氣動密封行業(yè)企業(yè)家論壇”、“中國國際機械傳動工業(yè)發(fā)展論壇”、“2008國際動力傳動與控制技術(shù)論壇”、“壓縮機技術(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, 將為各方提供與名家、高層交流分享觀念的理想平臺。2008亞洲國際動力傳動與控制技術(shù)展覽會由中國液壓氣動密封件工業(yè)協(xié)會、中國機械通用零部件工業(yè)協(xié)會、德國漢諾威展覽公司、漢諾威展覽(上海 有限公司和中國軸承進出口聯(lián)營公司聯(lián)合承辦。同期舉行2008亞洲國際物流技術(shù)與運輸系統(tǒng)展覽會, 兩大工業(yè)展會同臺亮相, 必將為亞洲地區(qū)的相關(guān)行業(yè)帶來無限商機!(上接第27頁3李松濤, 許慶余, 萬方義