ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ, КИНЕМАТИЧЕСКИХ, ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ РОТОРА С УЧЕТОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА В ЗАЗОРАХ ЛАБИРИНТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ

Аннотация


Представлен новый подход к исследованию вибраций роторов ГПА, базирующийся на решении связанной динамической задачи для системы «газодинамический поток – дефор-мируемая конструкция». Современная тенденция повышения мощности агрегатов с одно-временным снижением их жесткости ведет к появлению новых эффектов, влияющих на вибросостояние ротора. Рассмотрена модель ротора компрессора с лабиринтным уплот-нением. Для решения поставленной задачи используется программный продукт ANSYS, в котором реализован 2FSI-метод. Вычисления проводились на высокопроизводительном вычислительном комплексе ПНИПУ. Выполненные расчеты показали качественное и коли-чественное влияние газодинамического зазора на динамику ротора. Проведена серия 2FSI-расчетов по исследованию влияния геометрических, кинематических и газодинами-ческих параметров на динамическое состояние ротора. Выполнен спектральный анализ колебаний давления в газодинамическом зазоре и перемещений. Обработка полученных спектрограмм позволила построить графики зависимостей амплитуд и частот резонансных колебаний давления от начального давления в газодинамическом зазоре. Выявлено, что наибольшее влияние оказывает начальное давление в газодинамическом зазоре. Обнару-жена резонансная частота колебаний ротора и газа, соответствующая изменению про-странственного положения оси вала в 2FSI-постановке. Получены резонансные частоты системы «газ – конструкция» для моделей, отличающихся по массе и жесткости. Снижение модуля упругости конструкции привело к снижению максимальной амплитуды колебаний давления, в то время как снижение массы – к ее увеличению. Для базовой модели и моде-ли с меньшей жесткостью частота резонансных колебаний давления зависит от величины начального давления по закону, близкому к линейному, тогда как для модели с меньшей массой зависимость имеет выраженный нелинейный характер.

Полный текст

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.

Об авторах

В. Я. Модорский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

И. Е. Черепанов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А. В. Бабушкина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

  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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 292

PDF (Russian) - 139

Cited-By


PlumX


© Модорский В.Я., Черепанов И.Е., Бабушкина А.В., 2022

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах