基于FLUENT迷宫密封动力特性分析

1、文章编号:10050329(2008 08002404基于F LUE NT 迷宫密封动力特性分析孙婷梅, 郑水英(浙江大学, 浙江杭州310027摘要:利用CF D 有限元软件Fluent 计算迷宫密封三维流场, , 并研究了偏心率、入口预旋、涡动速度对转子密封动力特性的影响。计算结果表明, 入口预旋越大交叉刚度越大;线性。关键词:迷宫密封; 气流激振;中图分类号: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前言迷宫密封气流激振是透平压缩机机组产生失稳的主要原因, 所以研究迷宫密封动力特性的影响因素对减小气流激振力、提高系统的稳定性具有重要意义。国内外许多学者对此进行了研究, 他们多是基于单控体、双控体、八参数模型、Muszynska 经验模型对气流激振进行研究, 具有一定的局限性13。国外多应用CF D 程序对密封动力特性进行研究, Jeffrey Moore 应用Sciseal 计算8齿迷宫密封动力特性4; Kirk 等人利用Tasc 2 fl ow 计算分析了压缩机和汽轮机的迷宫密封动力特性5。国内刘晓峰应用CF D 有限元软件Fluent 对

6、密封转子系统进行了三维数值分析, 并计算了密封动力特性系数, 但他基于线性模型, 没有考虑 非线性特性的影响6; 金琰、何立东等通过编程进行了三维转子密封系统气流激振的研究, 考虑了非线性影响因素并研究了转子的稳定性7、8。本文借助于Fluent 计算密封流场受力, 考虑非线性特性的影响, 建立迷宫密封转子动力特性系数的计算模型, 研究偏心率、入口预旋、涡动速度对迷宫密封动力特性的影响, 对迷宫密封气流激振的防治提供参考依据。2密封动力特性系数的计算密封腔内的气体流动实际上是一种复杂的三维紊流过程, 因此本文计算采用可压缩轴对称流动的雷诺平均Navier -St okes 方程及k -湍流模型

7、来描述, 可以将方程写成如下通用形式: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 通用变量、扩散系数和源项当<、S 取不同的值时, 式(1 分别代表连续方程、动量方程、能量方程、湍动能方程以及耗散率方程。对式(1 的离散采用有限体积法, 连续方程、动量方程和能量方程的离散格式为二阶迎风格式, 湍动能和耗散率方程采用一阶迎风格式。压力插值格式采用标准插值 , 压力速度耦合采用SI M P LE 算法。, 小, 的。当转子在某一偏心

8、处受到位移或速度扰动时, 气体作用在转子上的反力就会发生变化, 该力与扰动之间的关系一般是非线性的, 当扰动很小时, 为了简化计算, 可以通过泰勒级数展开将这种关系线性化:-F t F =k xx k xy k yx k +c xx c xy c yx c (2式中F r 、F t 气体力的径向和切向分量系数矩阵即为迷宫密封在该偏心条件下的刚度和阻尼系数。考虑到速度与位移扰动的非线性关系, 这些系数在不同扰动条件下可能是变化的。迷宫密封的动力特性系数计算分二步进行。第一步计算刚度系数, 首先计算在偏心e 0、没有速度扰动条件下的流场分布及作用在转子上的气体力F r 、F t , 然后计算位移扰

9、动为e 条件下的气流力F r 、F t , 由此可根据刚度的定义得到:k yy =-F -F ek yx =-F t -F te(3根据x 、y 轴的对称性, 可得k xx =k yy =K; k xy =-k yx =k, 即可求得主刚度K 、交叉刚度k 。注意, 这里计算得到的是偏心e 0处的刚度, 考虑到刚度系数的非线性特性, 偏心变化时, 刚度系数可能也会变化, 为此须分别计算不同偏心率下的刚度系数。第二步计算阻尼系数, 由于x 、y 轴的对称性同样有阻尼系数c xx =c yy =D, c xy =-c yx =d 。假设转子轴心o 绕坐标中心o 做圆轨迹涡动, 则每个位置所受的径向

10、力、切向力相等。如图1所示, e 为偏心即涡动半径, 为转子涡动角速度, 为转子旋转角速度。考虑到刚度、阻尼率随偏心、转子转速是变化的, 所以在转子转速不变的情况下计算每一个偏心e 在无涡动速度时作用在转子上的气体力F t 0、F r 0以及涡动速度为时气体力F t 1、F r 1, 根据式(2 :D t 1er r 0e(4 图1在静子中涡动受力3迷宫密封模型及边界条件3. 1密封模型及工作条件应用Fluent 软件计算迷宫密封流场和动力特性。此密封为直通式迷宫密封, 密封几何参数和工作条件如表1所示。表1密封几何参数和工作条件项目数值项目数值齿数7出口压力(MPa 0. 1密封间隙(mm

11、0. 3入口压力(MPa 0. 65转轴直径(mm 170齿高(mm 4. 6流体理想气体入口温度(K 3003. 2边界条件入口边界条件指定:入口总压、静压、总温、流体流动方向分量, 设置湍流强度和湍流粘度比率; 出口边界条件指定:出口设置静压; 转子设置转动速度; 固体壁面温度边界取绝热条件, 壁面无滑移; 在入口设置旋转坐标系加气体预旋速度。4计算结果与分析522008年第36卷第08期流体机械4. 1漏气量及轴向压力分布与经验公式比较由表2对比结果可以看出, 用Fluent 计算迷宫密封泄漏量及第6齿压力值与公式计算结果相比误差较小, 验证了计算结果的准确性。表2公式计算与Fluent

12、 计算的泄漏量及第6个齿腔压力结果比较项目Fluent 计算公式计算偏差(% 泄漏量(kg/s 0. 1580. 1675. 7第6个齿腔压力(MPa 0. 3390. 3554. 74. 2无预旋、转轴无涡动条件下静态气体力及相应刚度系数流场及压力分布 , , :1200rad /s , , 无预旋, 转轴没有涡动。图2给出了迷宫密封前两个腔内的速度情况, 压力场分布情况如果用云图表示看不清, 为此将第五个密封腔转轴表面的压力值取出画成曲线(见图3 , =0°处表示间隙最大的地方, =180°处表示间隙最小的地方(如图1所示 。图2第一、二齿腔轴向截面速度分布由图3可以看

13、出周向压力大致呈余弦分布,此结果与文献9试验结果相吻合。当转轴有一向下的静位移时(如图1所示 , 该密封腔内上部(间隙大 的压力大于下部(间隙小 的压力, 转轴受到一个向下的气体力。应该说明的是:各腔的压力分布情况不同, 由此形成的气体力也是不同的, 计算结果表明前两个齿腔的气体力向上, 后几个齿腔气体力向下, 当齿数少、压差小时转子受到的气体力向上, 该模型气体力向下所以迷宫密封产生的主刚度是负值。同时转子偏心率与受力情况的计算结果如图 4所示, 从图4 中可以看出, 在偏心率较小的情况下, 转轴受力与偏心率基本呈线性关系, 偏心率较大时呈现出明显的非线性特性, 由此可以计算得到刚度系数如表

14、3所示。由表3可以看出:偏心率较小时, 主刚度和交叉刚度变化不大, 因为总的气体力较小, 迭代精度的影响相对较大, 而考虑到计算时间, 没有采用过多的迭代次数, 由此导致了一定的计算误差。而偏心较大时, 不论是交叉刚度还是主刚度都有明显的变化。图3第五个齿腔壁面周向压力分布图4转子偏心率与转子受力关系表3转子转速1200rad /s 、无预旋、无涡动时密封刚度系数(×103N /m偏心0. 10. 20. 30. 40. 5主刚度-68. 38-61-66. 8-68. 53-69. 67交叉刚度-55. 23-57. 67-69. 1-65. 9-37. 33偏心0. 60. 70

15、. 80. 9主刚度-81. 33-73. 33-83. 33-40交叉刚度-88-46. 33-28. 24. 84. 3预旋速度对气体力及刚度系数的影响转子转速1200rad /s 在入口处设置旋转坐标系加预旋速度, 方向为逆时针, 入口周向预旋速度分别为34、64m /s, 转子偏心率与转子受力关系, 如图5所示。从图可知, 预旋速度使切向力明显增加, 而对径向力的影响不大。转子转速1200rad /s 、入口周向预旋速度为34、64m /s, 转子在不同偏心率下刚度如图6所示。如图可以看出入口预旋对主刚度K 影响不大, 交叉刚度k 随入口预旋变化比较明显, 且偏心率越大刚度的非线性越明

16、显。由于交叉刚度是影响系统稳定性的主要因素, 因此减小入口周向预62F LU I D MACH I N ERY Vol 136, No 108, 2008旋可以提高转子系统的稳定性。 图5转子转速34、64m s 图6不同预旋速度时转子刚度随偏心率的变化4. 4存在速度扰动时的气体力及相应阻尼系数转子涡动方向也是逆时针方向, 自转速度无变化, 无预旋, 由于Fluent 只能计算稳态条件下的流动, 为此假设转子的涡动轨迹为圆,并设置坐标系以转子涡动速度转动, 这样在旋转坐标系中就转化成了稳态流场。 图7转子在不同涡动速度下气体力从图7可以看出转轴所受的切向力随涡动的增加而增大, 而且切向力方向

17、与转轴涡动的速度方向一致, 因此它会促使转轴的涡动速度增加, 很明显, 这个切向力是使转子失稳的主要因素。从计算结果(图8 可以看到, 阻尼系数随着涡动速度的增加而增大, 交叉阻尼系数d 随偏心变化不大, 而主阻尼系数D 随偏心变化明显。在小偏心率下气体力变化相对比较小, 所以由于计算精度的影响,在偏心率为0. 2处阻尼系数出现了波动。图8转子不同涡动速度各偏心率下密封阻尼系数5结论(1 本文借助于Fluent 软件计算密封流场受力, 建立了迷宫密封动力特性系数的计算模型, 考虑偏心、入口预旋、涡动对迷宫密封特性的影响, 模型较合理;(2 入口预旋是产生交叉刚度的主要原因,入口预旋越大交叉刚度

18、越大, 减小周向速度可以提高转子的稳定性;(3 阻尼随涡动速度的增加而增大;(4 主刚度和交叉阻尼随着偏心率24变化基本上是线性, 而交叉刚度和主阻尼随偏心呈现明显的非线性。因此交叉刚度和主阻尼是影响密封转子系统稳定性的重要因素。参考文献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.(下转第88页 信息经纬分明打造传动控制业精英盛会2008亚洲国际动力传动与控制技术展今秋上海再展风采一年一度的亚洲国际动力传动与控制技术展览会(览中心盛大举行。, 已发展成为目前同类展会中

20、亚洲最大、, 预计将吸引超过1, 200家参展商在本届展会, , 将从去年开始推行的“领域细分”提升一个台阶, 装备、产品的需求主流, 准确把握住了从总体来看, 主办方以机械传动/电气传动与零部件、流体传动与控制、压缩空气技术、机械零部件、紧固件/弹簧及专用装备、轴承和内燃机作为“纬线”, 以典型的热门需求行业如汽车、纺织、建筑、包装、塑料、电子、机床、航空、石油化工等为“经线”, 明确标识出亚洲动力传动展服务整个产业的“脉络”, 使观众观展目的明确, 针对性强, 为展商与观众搭建更有效直观的交流平台。在主办方的大力协调组织下, 今年展会仍将延续国际化大展的风格, 继续迎来德国、意大利、美国、

21、英国、法国、西班牙、韩国和中国台湾等八个国家和地区的国际展团。2008亚洲动力传动展不仅展会规模庞大, 展商众多, 随展活动也极具专业性。针对当下伴随工业制造业、汽车工业等主机行业发展而走俏的紧固件、弹簧及专用装备工业, 展会期间将召开“核电、风电与机械零部件技术报告会”、“2008中国紧固件专业协会年会”、“紧固件钢材技术报告会”、“弹簧技术报告会”、“紧固件供应商、采购商见面会”, 共同探讨实现行业稳定发展的方针策略。此外, “中国液压气动密封行业企业家论坛”、“中国国际机械传动工业发展论坛”、“2008国际动力传动与控制技术论坛”、“压缩机技术应用月行业发展论坛”等一系列精彩纷呈的行业活动, 将为各方提供与名家、高层交流分享观念的理想平台。2008亚洲国际动力传动与控制技术展览会由中国液压气动密封件工业协会、中国机械通用零部件工业协会、德国汉诺威展览公司、汉诺威展览(上海 有限公司和中国轴承进出口联营公司联合承办。同期举行2008亚洲国际物流技术与运输系统展览会, 两大工业展会同台亮相, 必将为亚洲地区的相关行业带来无限商机!(上接第27页3李松涛, 许庆余, 万方义