INFLUENCE OF GEOMETRIC, KINEMATIC, GAS-DYNAMIC PARAMETERS ON ROTOR DYNAMIC STATE TAKING INTO ACCOUNT GAS DYNAMIC FLOW IN LABYRINTH SEALS CLEARANCES

Abstract


The present work details a new approach to the study of GTU rotor vibrations, based on the solution of a related dynamic problem for the «gas – dynamic flow – deformable structure» sys-tem. The modern tendency to increase an aggregates power with a simultaneous decrease stiffness results in new phenomenons that affected a rotor vibration state. The compressor rotor model with a labyrinth seal is considered. ANSYS software product is used. The calculations were carried out on a high-performance computer complex PNRPU. The performed calculations showed a qualitative and quantitative effect of a gas-dynamic gap on the rotor dynamics. A 2FSI calculations series was performed to study the influence of geometric, kinematic and gas-dynamic parameters on the rotor dynamic state. A pressure fluctuations spectral analysis in the gas-dynamic gap and displacements has been carried out. The obtained spectrograms pro-cessing it possible to plot amplitudes and frequencies dependences of resonant pressure oscil-lations over an initial pressure in the gas-dynamic gap. It was found that the initial pressure in a gas-dynamic gap has the greatest influence. A rotor and gas oscillations resonant frequency was found, which corresponds to a change in the shaft axis spatial position. The «gas – struc-ture» system resonant frequencies were obtained for models differing in mass and stiffness. A decrease in an elasticity modulus of the structure led to a decrease in the maximum pressure fluctuations amplitude, while a decrease in mass led to its increase. For the base model and the model with lower rigidity, the resonant pressure oscillations frequency depends on the initial pressure value according to a law close to linear, while for the model with a lower mass, the dependence has a pronounced non-linear character.

Full Text

Балансировке вращающихся элементов механизмов и машин посвящено множество работ. Авторами рас-сматриваются различные способы уравновешивания ротров с учетом направления дисбалансов, условий работы ротора (жесткого или гибкого), описывается использование управляемой сборки на производстве [1–3]. Современная тенденция повышения мощности аг-регатов с одновременным снижением их массы ведет к проявлению новых эффектов, влияющих на вибросо-стояние ротора. В работе [4] показано возникновение нестационарных процессов в проточной части рабочего колеса, которые в случае недостаточной жесткости могут стать причиной повышенных вибраций. Известен случай проявления нестабильной работы компрессора на режиме повышенной мощности из-за вибраций [5]. Известен подход, позволяющий учитывать действие газодинамических сил на элементы ротора путем введе-ния в расчетную модель упругих элементов, описывае-мых коэффициентами жесткости и демпфирования [6]. Существует несколько подходов для их определения, отличающихся сложностью выполняемых вычислений [7; 8]: аналитический расчет, численное моделирование стационарного газодинамического течения [9] и чис-ленное моделирование нестационарного газодинамиче-ского течения. Также используются экспериментальные методы для определения динамических коэффициентов [10; 11]. Ограниченность данного подхода заключается в использовании линейной модели при определении динамических коэффициентов. Снижение жесткости конструкции с одновременным повышением нагрузок приводит к существенному влиянию газодинамического потока на динамику конст-рукции. В авиации известны случаи возникновения та-кого рода явлений. На больших углах атаки в результа-те взаимодействия набегающего потока с крылом само-лета могут возникать автоколебательные процессы по углу крена самолета. В ряде работ рассматривается возникновение такого рода эффектов на треугольных крыльях экспериментальными [12–15] и численными методами [15–17]. Автором работы [18] выполнена чис-ленная оценка возможности подавления автоколебаний использованием отклоняемых носков, деформирования поверхности крыла и демпфированием. Учесть эффекты взаимодействия газа и конструкции возможно при одновременном расчете газовой ди-намики и НДС [19]. Данный подход в зарубежной науч-ной литературе получил название 2 Fluid-Structure Interaction (2FSI). Моделирование компрессора в 2FSI в настоящее время является сложным по ряду причин. Подготовка трехмерных и соответствующих сеточных моделей свя-зана со значительными трудозатратами из-за большого числа элементов сложной конфигурации. После выпол-нения подготовительных операций по настройке модели требуется высокопроизводительная вычислительная техника, но даже при ее наличии расчетное время может быть значительным [20; 21]. Из-за высоких требований к вычислительным ресурсам применение данного метода до настоящего времени было весьма ограничено и сводилось к решению модельных задач [22–33]. Данные факторы ограничивают применение детализированной конструкции для выполнения исследований, поэтому необходим переход к модельной конструкции. В качестве модели для исследования процессов, происходящих в лабиринтных уплотнениях, выбран ротор, состоящий из вала длиной 1,5 м с диском диаметром 0,55 м, закрепленного на упругих опорах (рис. 1). Общая масса конструкции составила 33,9 кг. Моделирование движения ротора выполнялось с учетом действия силы тяжести. На одном из торцов ва-ла задавалось вращение с постоянной скоростью. С целью однозначного определения расчетной модели в пространстве на свободном торце задано ограничение осевых перемещений. Лабиринтное уплотнение моделировалось в виде кольцевого газодинамического зазора, расположенного на периферийной поверхности диска. Толщина зазора была выбрана 10–3 м. Выбрана модель идеального газа, параметры которого соответствуют свойствам воздуха. В начальный момент времени газодинамический зазор заполнен газом при давлении 5 МПа и температуре 300 К. Так как основной задачей при выборе парамет-ров лабиринтных уплотнений является снижение вели-чины утечек, то был принят вариант уплотнения, не допускающий течение через зазор. Соответственно на боковых стенках газодинамического зазора было назначено условие симметрии. Оценка динамического состояния выполнялась по нескольким контрольным точкам (рис. 2). Одна из точек (т. А) расположена на оси вращения вала в сечении установки диска, а другая – на периферийной поверх-ности диска в точке, в начальный момент времени на-ходящейся в верхней части диска (т. Б). Первая из точек позволяет получать траектории движения выбранного сечения во времени и исследовать их форму. Вторая точка показывает изменение давления в газодинами-ческом зазоре. Численное моделирование выполнялось в про-граммном комплексе ANSYS, позволяющем решать связанные задачи. Для моделирования конструкции использовался модуль ANSYS Mechanical, для моделирования процессов в газодинамическом зазоре – модуль CFX. Используемые математические модели представлены в [34]. Вычисления проводились с использованием ресурсов суперкомпьютера ПНИПУ, имеющего пиковую производительность 24 TFLOPS [35]. Выполнена серия 2FSI-расчетов по исследованию влияния геометрических, кинематических и газодина-мических параметров на динамическое состояние рото-ра. Варьировались толщина зазора, направление вращения, начальное давление и температура газа.

About the authors

V. Ya. Modorskii

Perm National Research Politechnic University

I. E. Cherepanov

Perm National Research Politechnic University

A. V. Babushkina

Perm National Research Politechnic University

References

  1. Белобородов С.М., Лунев А.Н., Рахмангулов Р.И. Динамическое состояние валопровода // Проблемы развития системы технического обеспечения в войсках национальной гвардии Российской Федерации и пути их решения во взаимодействии с другими видами обеспечения. - 2020. - С. 214-217.
  2. Белобородов С.М., Цельмер М.Л. Методика уравновешивания ротора при балансировке // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2017. - № 48. - С. 60-68.
  3. Белобородов С.М., Цимберов Д.М., Цельмер М.Л. Экспериментальная проверка динамического состояния валопровода // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. - 2017. - № 4. - С. 139-153.
  4. Numerical investigation of Kelvin-Helmholtz instability in a centrifugal compressor operating near stall / Y. Bousquet [et al.] // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. - American Society of Mechanical Engineers, 2015. - Vol. 56659. - P. V02CT42A015.
  5. Кистойчев А.В., Лун-Фу А.В., Урьев Е.В. Устранение причин срыва в низкочастотную вибрацию центробежного нагнетателя на магнитном подвесе // Газовая промышленность. - 2016. - № 1. - С. 102-108.
  6. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин: учебник для вузов. - М.: МЭИ, 2007. - 476 с.
  7. Pugachev A.O., Kleinhans U., Gaszner M. Prediction of Rotordynamic Coefficients for Short Labyrinth Gas Seals Using Computational Fluid Dynamics // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2012. - Vol. 134, no. 6.
  8. Макаров А.А., Зайцев Н.Н. Инженерные и теоретические задачи применения лабиринтных уплотнений в высокоскоростных роторных машинах // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2015. - № 42. - С. 61-81
  9. Hirano T., Guo Z., Kirk R.G. Application of Computational Fluid Dynamics Analysis for Rotating Machinery - part II: Labyrinth Seal Analysis //j. Eng. Gas Turbines Power. - 2005. - Vol. 127, no. 4. - P. 820-826.
  10. Childs D.W., Scharrer J.K. Experimental rotordynamic coefficient results for teeth-on-rotor and teeth-on-stator labyrinth gas seals. - 1986. - No. 4. - P. 38-44.
  11. Kanemori Y., Iwatsobo T. Experimental study of dynamics fluid forces and moments for a long annular seals // ASME Journal of Tribology. - 1992. - Vol. 114. - P. 773-778.
  12. Measurements of pressures on the wing of an aircraft model during steady rotation / C. MARTIN [et al.] // 17th Atmospheric Flight Mechanics Conference. - 1990. - P. 2842.
  13. Ferguson N., Parkinson G. Amplitude and surface pressure measurements for a circular cylinder in vortex-excited oscillation at subcritical Reynolds numbers. - 1966.
  14. Караваев Э.А., Ю.А. Прудников Автоколебания по крену несущих систем с тонкими треугольными крыльями // Ученые записки ЦАГИ. - 1989. - Т. 20, № 6. - С. 60-70.
  15. Guglieri G., Quagliotti F. Analytical and experimental analysis of wing rock // Nonlinear Dynamics. - 2001. - Vol. 24, no. 2. - P. 129-146.
  16. Петошин В.И., Часовников Е.А. Моделирование автоколебаний несущих систем в изолированном движении по углу крена // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. - 2013. - № 12. - С. 54-60.
  17. Шумский Г.М. Численное моделирование автоколебаний треугольного крыла малого удлинения по крену на больших углах атаки // Ученые записки ЦАГИ. - 1990. - Т. 21, № 1. - С. 102-106.
  18. Шумский Г.М. Способы подавления автоколебаний треугольного крыла по крену // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. - 1997. - № 4. - С. 83-88.
  19. Kalyulin S.L., Modorskii V.Ya., Shmakov A.F. Numerical coupled 2FSI analysis of gas-dynamic and deformation processes in the discharger of the model compressor of a gas transmittal unit // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC. 2018. - Vol. 2027. - P. 030168.
  20. Dynamic Behavior and Stability of a Flexible Rotor / A. Rezaiguia [et al.] // Advances in Acoustics and Vibration II / под ред. T. Fakhfakh [et al.]. - Cham: Springer International Publishing, 2019. - P. 37-50.
  21. The effects of surface roughness on the transient characteristics of hydrodynamic cylindrical bearings during startup / S. Cui [et al.] // Tribology International. - 2018. - Vol. 128. - P. 421-428.
  22. Numerical research on segmented flexible airfoils considering fluid-structure interaction / D. Hefeng [et al.] // Procedia Engineering. - 2015. - Vol. 99. - P. 57-66.
  23. Hussin M.S., Ghorab A., ElSamanoudy M.A.Computational analysis of two-dimensional wing aeroelastic flutter using Navier-Stokes model // Ain Shams Engineering Journal. - 2018. - Vol. 9, no. 4. - P. 3459-3472.
  24. Писарев П.В., Модорский В. Численный анализ динамического напряженно-деформированного состояния конечномерного цилиндра, нагруженного гидродинамическим потоком жидкости // Механика микронеоднородных материалов и разрушение: тезисы докладов VI Всероссийской конф. - Екатеринбург, 2010. - С. 24-28.
  25. Модорский В.Я., Козлова А.В. Моделирование газоупругих колебательных процессов в ракетных двигателях твердого топлива // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Физико-математические науки. - 2006. - № 43. - С. 163-167.
  26. Бутымова Л.Н., Модорский В.Я., Петров В.Ю. Численное моделирование влияния кинематических параметров на колебания лопаток модельного компрессора в системе "газ - конструкция" // Научно-технический вестник Поволжья. - 2015. - № 5. - С. 157-160.
  27. Butymova L.N., Modorskii V.Ya., Petrov V.Y. Numerical modeling of interaction in the dynamic system "gas - structure" with harmonic motion of the piston in the variable section pipe // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC. - 2016. - Vol. 1770. - P. 030103.
  28. Butymova L.N., Modorskii V.Ya. Numerical modeling of the labyrinth seal taking into account vibrations of the gas transmittal unit rotor in aeroelastic formulation // Procedia engineering. - 2017. - Vol. 201. - P. 666-676.
  29. Mekhonoshina E.V., Modorskii V.Ya. Impact of magnetic suspension stiffness on aeroelastic compressor rotor vibrations of gas pumping units // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC. - 2016. - Vol. 1770. - P. 030113.
  30. Modorskii V.Ya., Shevelev N.A. Research of aerohydrodynamic and aeroelastic processes on PNRPU HPC system // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC. - 2016. - Vol. 1770. - P. 020001.
  31. Kuzmina K., Marchevsky I., Ryatina E. Numerical simulation in 2D strongly coupled FSI problems for incompressible flows by using vortex method // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC. - 2018. - Vol. 2027. - P. 040045.
  32. Butymova L.N., Modorskii V.Ya., Petrov V.Y. Numerical modeling of interaction in the dynamic system "gas - structure" with harmonic motion of the piston in the variable section pipe // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2016. - Vol. 1770, no. 1. - P. 030103.
  33. Mekhonoshina E.V., Modorskii V.Ya. Impact of magnetic suspension stiffness on aeroelastic compressor rotor vibrations of gas pumping units //AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2016. - Vol. 1770, no. 1. - P. 030113.
  34. Applying Parallel Calculations to Model the Centrifugal Compressor Stage of a Gas Transmittal Unit in 2FSI Statement / I.E. Cherepanov [et al.] // International Conference on Parallel Computational Technologies. - Springer, Cham, 2020. - P. 321-335.
  35. Шевелев Н.А., Модорский В.Я. Решение инженерных задач на высокопроизводительном вычислительном комплексе ПНИПУ // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2014. - № 4 (39). - С. 6-16.

Statistics

Views

Abstract - 292

PDF (Russian) - 139

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2022 Modorskii V.Y., Cherepanov I.E., Babushkina A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies