WEB-ресурс научно-практических конференций

Д.т.н. Копей Б.В., Беллауар А., к.т.н . Копей В.Б.

Ивано-Франковский национальный технический университет , Украина

КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ ПОТОКА ГАЗА В КАНАЛАХ ЛАБИРИНТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ТУРБОМАШИН

Постоянно пополняющееся разнообразие конструкций ла­биринтовых уплотнений (ЛУ) свидетельствует о трудностях в разре­шении заключенного в этом узле противоречия между тре­бованиями экономичности (обеспечения минимальной протечки) и надежности (уменьшения опасности и облегчения последствий задеваний вращающихся элементов о неподвижные). С возраста­нием единичной мощности оборудования выявилось еще одно отрица­тельное качество уплотнений с радиальными зазорами: их рас­ходная характеристика (рост протечки с увеличением зазора) благоприятствует появлению поперечных аэродинамических сил, способствующих низкочастотной вибрации роторов [1, 2].

Постановка проблемы. Эффективность ЛУ зависит от величины радиального зазора, числа гребешков и их конфигурации. Однако мини­мальная величина радиального зазора определя­ется технологией изготовления, радиальным пе­ремещением ротора, а также зависит от прогрева статорных и роторных узлов.

Причиной выхода из строя данных уплотнений является разрушение лабиринтных "гребней", их износ или засаливание канавок. Результатом выхода из строя уплотнения "масло-газ" является высокий расход масла, которое вместе с транспортирующим газом попадает в газопровод.

С целью модернизации лабиринтных уплотнений компрессора на предприятия, кроме традиционных алюминиевых материалов, применяют полимерный композиционный материал полиамиды - капролон - В (ТУ6-05-988-73) и « РЕЕК » ( рис.1).

а б

Рис.1. Уплотнения "масло-газ" из блочного полимерного материала: а – конструкция уплотнения, б – примеры выполнения лабиринтных уплотнений из материала «РЕЕК»

Последний материал обладает повышенной износостойкостью, низким динамическим коэффициентом трения, повышенной стойкостью к химической коррозии. Благодаря своей гибкости позволяет поддерживать стабильными зазоры, установленные на монтаже. Во время касания с ротором гребешки лабиринтного уплотнения отклоняются, перемещаясь вместе с ротором. После касания гребешки восстанавливают свою первоначальную конфигурацию, при этом на роторе не появляется никаких повреждений. При значительном перемещении ротора в результате повышенной вибрации (нарушение технологического режима эксплуатации компрессора, помпаж , выход на рабочий режим работы и т.д.) гребни уплотнения, в местах касания с ротором, вытираются. Это свойство материала позволяет установить величину радиального зазора в лабиринтном уплотнении в пределах от нуля до 0,05мм и, тем самым, снизить перетоки газа по ступеням.

Механизм работы лабиринтных уплот­нений в газах заключается в много­кратном дросселировании рабочей сре­ды (рис.2), протекающей через камеры и суже­ния с резко меняющимися проходными сечениями[3]. В сужающейся части щели

Рис.2. Изменения скорости газа в лабиринтных уплотнениях

происходит адиабатическое истечение, сопровождающееся увеличе­нием скорости и падением давления и температуры потока. В камере ско­рость газа уменьшается и происходит диссипация кинетической энергии потока. Темпе­ратура в этом процессе восстанавли­вается до начального значения. В после­дующих сужениях и камерах процесс повторяется с той лишь разницей, что вследствие уменьшившейся плотности потока ? , скорость, а также падение дав­ления и температуры под гребнем будут большими (рис.3) [4].

а)

б)

Рис. 3. Изменение давления и температуры по длине ЛУ

Гидродинамические характеристики лабиринтных уплотнений существенно зави­сят от режима течения жидкости или газа в щели. Возможны ламинарный и турбулентный режимы течения. Разница в характере течения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах приводит к различию законов сопротив­ления движению потока [5].

Для расчета протечек среды через лабиринтные уплотнения широко используется известная формула А. Стодолы, основанная на представлениях о полном гашении скорости в камерах и об отсутствии сужения потока в зазорах, уподобляемых последо­вательному ряду сопел :

(1)

здесь G - массовая протечка среды;

f = ? d ? - проходное сечение кольцевого зазора ? диаметром d ;

z - количество за­зоров в уплотнении;

р ₀ и v ₀ - давление и удельный объем среды перед уплотнением;

р - давление среды в последнем зазоре,

Нами предложено изменить конфигурацию лабиринта с целью ее модернизации при создания вихревых потоков газа и создания препятствий для его утечек из компрессора. Выполнен конечно-элементный анализ потока газа в каналах лабиринта.

Для достижения этой цели в данной статье мы изменили основные геометрические параметры камеры лабиринтного уплотнения, оптимальная конструкция лабиринтного уплотнении обеспечивает минимальный расход среды в последнем зазоре, который определен по формуле Стодолы и который зависит от минимального давления в последнем зазоре.

Выводы. Результаты показывают, что:

при изменении геометрических размеров и формы уплотняющей части лабиринтных гребней с наклоном их в сторону большего давления (рис.4 и 5) такая конструкция уплотняющей части позволила уменьшить перетекания газа и масла, что в свою очередь значительно влияет на расход масла и осевой сдвиг ротора нагнетателя;

уплотнение с встречным уклоном гребней создает меньшее давление в последнем зазоре, а уплотнение с попутным уклоном гребней создает невысокое давление в последней камере.

а

б

в

г

д

е

Рис.4. Изменения давления в разных тип ЛУ :

а ,б - без уклона, в,г,д - попутный уклон, е - встречный уклон,

Рис.5. Зависимость давления от толщины гребня (а) и величины зазора в щели ЛУ

Список литературы:

1. Розенберг С.Ш., Орлик В.Г., Марченко Ю.А. Исследован ие аэ родинамических поперечных сил в лабиринтных уплотнениях при наличии эксцентриситета ротора// Энергомашиностроение . - 1974. - № 8. - С. 15-17.

2. Орлик В.Г., Розенберг С.Ш., Сорокин Н.А. Центрирующий эффект в лабиринтовых уплотнениях и его влияние на низкочастотную вибрацию турбомашин// Энергомашиностроение . - 1975. - № 10. - С. 25-29.

3. Келер Г. Патент ФРГ, кл . 47, 26, № 853690, 27.10.52.

4. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей газов. - М.-Л.: ГЭИ, 1948. - С. 127-137.

5. Groddeck Н . Н . Probleme der beruhrungsireien Hochdruck-topfbuchsen//Forschungs - Ingeneur - Wesen . - 1957. - № 5. - S. 183-195.