книги / Численное моделирование колебательных 2FSI-процессов в компрессорах газоперекачивающих агрегатов
..pdf
Таблица 2.12
Сравнение работы газодинамических сил от времени в 1FSI- и 2FSI-постановках при учете газодинамики РК
1FSI-постановка при учете |
2FSI-постановка при учете |
||
газодинамики РК |
|
газодинамики РК |
|
График зависимости работы |
Возрастание (+) затухание (–) колебаний |
График зависимости рабо- |
Возрастание (+) затухание (–) колебаний |
газодинамических |
ты газодинамических сил |
||
сил от времени |
от времени |
||
|
|
||
|
|
|
|
|
+ |
|
– |
ω = 4200 об/мин |
|
ω = 4200 об/мин |
|
|
+ |
|
+ |
ω = 5160 об/мин |
|
ω = 5160 об/мин |
|
|
+ |
|
– |
ω = 6000 об/мин |
|
ω = 6000 об/мин |
|
Анализ аэроупругих колебаний ротора компрессора ГПА (учет всей конструкции и газодинамики РК) показал, что в 2FSI-постановке при учете газодинамики РК для скоростей вращения 4200 и 6000 об/мин работа газодинамических сил изменила знак и колебания стали затухающими, т.е. учет
71
взаимовлияния системы «газ – конструкция» позволил уловить эффект «гашения» колебаний, что не было выявлено в рамках 1FSI-подхода. Вместе с тем, характер изменения работы от времени в 2FSI-постановке имеет существенные отличия от 1FSI-подхода.
По максимальным значениям амплитуд перемещений ротора на различных режимах вращения (см. табл. 2.11) построены критические области работы системы с учетом газодинамики РК.
Критическая область работы системы с учетом газодинамики РК ограничена допустимыми, с точки зрения условий эксплуатации (до 40 мкм) [40–46, 75], значениями перемещений, и представлена на рис. 2.23.
Допускаемые
перемещения
а |
б |
Рис. 2.23. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА при учете газодинамики РК
в 2FSI-постановке (Ux, Uy – радиальные направления, Uz – осевое направление): а – на лопатке РК, б – на оси вращения вала
По одному из радиальных направлений на лопатке РК наблюдается резонанс на всех скоростях вращения ротора ГПА. По остальным направлениям перемещения не превышают допустимое значение 40 мкм, обусловленное эксплуатационными особенностями ротора компрессора ГПА [40–46, 75].
72
2.7.ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
СУЧЕТОМ ГАЗОДИНАМИКИ ЛАБИРИНТНОГО УПЛОТНЕНИЯ
При исследовании колебательных процессов ротора с учетом газодинамики лабиринтного уплотнения (ЛУ) учитывались следующие элементы:
–вал;
–опоры;
–рабочее колесо;
–лабиринтное уплотнение;
–разгрузочное устройство;
–газодинамика лабиринтного уплотнения.
Расчеты проведены в 2FSI-постановке для режимов 4200, 5160, 6000 об/мин. Моделируемый отрезок времени составил
0,01 с с шагом 5·10–5 с.
На рис. 2.24 представлены поля скорости, давления и линии тока в зазоре ЛУ на скорости вращения компрессора 5160 об/мин.
На следующем этапе был проведен спектральный анализ следующих динамически изменяющихся внутренних переменных, отражающих поведение 2FSI-системы:
– перемещения конструкции ротора в точках (рис. 2.25): на границе контакта ЛУ с зазором ЛУ – точка 1, и на границе контакта покрывного диска РК с зазором ЛУ – точка 2 (максимальные значения амплитуд перемещений представлены
втабл. 2.13);
–работа газодинамических сил, определяемая суперпозицией по направлениям произведений газодинамических сил, действующих на ЛУ, и перемещений ротора в точке на границе контакта покрывного диска РК с зазором ЛУ. Приращение работы за период показывает возрастание или затухание колебательных процессов, что важно для оценки виброустойчивости роторов компрессора ГПА (графики представлены в табл. 2.14).
73
а |
б |
в
Рис. 2.24. Распределение газодинамических параметров в ЛУ:
а– поле скорости, б – поле давления,
в– 3D-линии тока (ANSYS CFX-Post 18.0)
Точка 1
Точка 2
Рис. 2.25. Расположение точек в твердотельной модели ротора при учете газодинамики ЛУ (ANSYS Mechanical 18.0)
74
Таблица 2.13
Значения максимальных амплитуд перемещений конструкции при учете газодинамики ЛУ (2FSI)
|
|
|
ω = 4200 об/мин |
|
|
|
Точка |
Переме- |
Частота, |
Переме- |
Частота, |
Переме- |
Частота, |
|
щенияUx, |
Гц |
щенияUy, |
Гц |
щенияUz, |
Гц |
|
мкм |
|
мкм |
|
мкм |
|
На границе |
|
|
|
|
|
|
контакта ЛУ |
0,00067 |
3200 |
0,00197 |
1800 |
0 |
– |
с зазором ЛУ |
|
|
|
|
|
|
На границе |
|
|
|
|
|
|
контакта покрыв- |
5,002 |
1700 |
1,937 |
3200 |
13,476 |
100 |
ного диска РК |
|
|
|
|
|
|
с зазором ЛУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω = 5160 об/мин |
|
|
|
На границе |
|
|
|
|
|
|
контакта ЛУ |
0,00111 |
1800 |
0,00325 |
1800 |
0 |
– |
с зазором ЛУ |
|
|
|
|
|
|
На границе |
|
|
|
|
|
|
контакта покрыв- |
7,708 |
1700 |
2,799 |
3200 |
21,493 |
100 |
ного диска РК |
|
|
|
|
|
|
с зазором ЛУ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω = 6000 об/мин |
|
|
|
На границе |
|
|
|
|
|
|
контакта ЛУ |
0,00362 |
3300 |
0,00988 |
3300 |
0,00001 |
1800 |
с зазором ЛУ |
|
|
|
|
|
|
На границе |
|
|
|
|
|
|
контакта покрыв- |
25,429 |
1800 |
8,704 |
3300 |
14,349 |
1800 |
ного диска РК |
|
|
|
|
|
|
с зазором ЛУ |
|
|
|
|
|
|
Дополнительно проведена серия 1FSI-расчетов с граничными условиями (см. табл. 2.3, 2.4), соответствующими 2FSIпостановке.
Анализ аэроупругих колебаний ротора компрессора ГПА (учет всей конструкции и газодинамики ЛУ) в 1FSI- и 2FSIпостановках показал, что максимальные амплитуды работы газодинамических сил для всех режимов асимптотически возрастают. Это означает, что учет обратного отклика конструкции ЛУ на газодинамический зазор крайне необходим, т.е. моделирова-
75
ние газодинамики ЛУ предпочтительнее проводить в рамках 2FSI-подхода.
Таблица 2.14
Сравнение работы газодинамических сил от времени в 1FSI- и 2FSI-постановках при учете газодинамики ЛУ
1FSI-постановка при учете |
2FSI-постановка при учете |
||
газодинамики ЛУ |
|
газодинамики ЛУ |
|
График зависимости работы |
Возрастание (+) затухание (–) колебаний |
График зависимости рабо- |
Возрастание (+) затухание (–) колебаний |
газодинамических |
ты газодинамических сил |
||
сил от времени |
от времени |
||
|
|
||
|
|
|
|
|
– |
|
+ |
ω = 4200 об/мин |
|
ω = 4200 об/мин |
|
|
+ |
|
+ |
ω = 5160 об/мин |
|
ω = 5160 об/мин |
|
|
+ |
|
+ |
ω = 6000 об/мин |
|
ω = 6000 об/мин |
|
76
По максимальным значениям амплитуд перемещений ротора на различных режимах вращения (см. табл. 2.13) построены критические области работы системы с учетом газодинамики ЛУ.
Критическая область работы системы с учетом газодинамики ЛУ ограничена допустимыми, с точки зрения условий эксплуатации (до 40 мкм) [40–46, 75], значениями перемещений, и представлена на рис. 2.26.
а |
б |
Рис. 2.26. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА при учете газодинамики ЛУ при 2FSI-постановке (Ux, Uy – радиальные направления, Uz – осевое направление): а – на границе контакта ЛУ с зазором ЛУ,
б– на границе контакта покрывного диска РК с зазором ЛУ
ВЛУ перемещения по всем осям близки к нулю. На покрывном диске РК для режима 6000 об/мин осевые перемещения в 3 раза больше, чем на режиме 5160 об/мин, тогда как одна из радиальных составляющих уменьшилась в 1,6 раза. В целом перемещения на покрывном диске РК достаточно большие (до 25 мкм), хотя 2FSI-расчеты проводились только с учетом газодинамики ЛУ без учета газодинамики РК.
77
2.8.ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
СУЧЕТОМ ГАЗОДИНАМИКИ РАЗГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА
При исследовании колебательных процессов ротора с учетом газодинамики разгрузочного устройства (РУ) учитывались следующие элементы:
–вал;
–опоры;
–рабочее колесо;
–разгрузочное устройство;
–газодинамика разгрузочного устройства.
Расчеты проведены в 2FSI-постановке для режимов 4200, 5160, 6000 об/мин. Моделируемый отрезок времени составил
0,01 с с шагом 5·10–5 с.
На рис. 2.27 представлены поля скорости, давления и линии тока в РУ на скорости вращения компрессора 5160 об/мин.
а |
б |
в
Рис. 2.27. Распределение газодинамических параметров в РУ: а – поле скорости, б – поле давления, в – 3D-линии тока
(ANSYS CFX-Post 18.0)
78
На следующем этапе был проведен спектральный анализ следующих динамически изменяющихся внутренних переменных, отражающих поведение 2FSI-системы:
– реакции опор в подшипниках (АЧХ представлены
втабл. 2.15, 2.16);
–перемещения конструкции ротора в точках (рис. 2.28): на границе контакте РУ с зазором лабиринтного уплотнения РУ – точка 1, в центре торцевого сечения РУ – точка 2 и на оси вращения вала – точка 3 (максимальные значения амплитуд перемещений представлены в табл. 2.17);
–работа газодинамических сил, определяемая суперпозицией по направлениям произведений газодинамических сил, действующих на РУ, и перемещений ротора в точке на оси вращения вала. Приращение работы за период показывает возрастание или затухание колебательных процессов, что важно для оценки виброустойчивости роторов компрессора ГПА (графики представлены в табл. 2.18).
Таблица 2.15
АЧХ реакций опоры подшипника со стороны РУ при учете газодинамики РУ (2FSI)
ω = 4200 об/мин |
ω = 5160 об/мин |
ω = 6000 об/мин |
Fx
Fy
Fz
79
Таблица 2.16
АЧХ реакций опоры подшипника со стороны трансмиссии при учете газодинамики РУ (2FSI)
ω = 4200 об/мин |
ω = 5160 об/мин |
ω = 6000 об/мин |
Fx
Fy
Fz
Точка 1
Точка 2
Точка 3
Рис. 2.28. Расположение точек в твердотельной модели ротора при учете газодинамики РУ (ANSYS Mechanical 18.0)
Дополнительно проведена серия 1FSI-расчетов с граничными условиями (см. табл. 2.5, 2.6), соответствующими 2FSI-пос- тановке.
80