книги / Численное моделирование колебательных 2FSI-процессов в компрессорах газоперекачивающих агрегатов

Продолжение табл. 2.22

91

Анализ аэроупругих колебаний ротора компрессора ГПА (учет всей конструкции и совместной газодинамики РК, ЛУ и РУ) показал, что максимальные амплитуды работы газодинамических сил на РК и ЛУ, выделенные из результатов расчетов совместной 2FSI-модели, существенно меньше, чем максимальные амплитуды работы газодинамических сил РК и ЛУ с раздельным учетом газодинамики РК / ЛУ. Вместе с тем, максимальные амплитуды работы газодинамических сил на РУ близки как при раздельном, так и при совместном учете газодинамики РУ.

Данный эффект может объясняться уравновешивающим действием РУ. Это показывает, что 2FSI-подстановка с раздельным учетом газодинамики РК / РУ / ЛУ не может заменить комплексную совместную 2FSI-постановку. Также на это указывает смена знака суммарной работы газодинамических сил на РУ при 4200 об/мин и на РК при 5160 об/мин.

По максимальным значениям амплитуд перемещений ротора на различных режимах вращения (см. табл. 2.21) построены критические области работы системы при раздельном (подразд. 2.6–2.8) и совместном (настоящий раздел) учете газодинамики РК, ЛУ, РУ.

Критическая область работы системы при раздельном и совместном учете газодинамики РК, ЛУ, РУ ограничена допустимыми, с точки зрения условий эксплуатации (до 40 мкм) [40–46, 75], значениями перемещений. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА для различных характерных точек в конструкции ротора при раздельном и совместном учете газодинамики РК, ЛУ, РУ представ-

лены на рис. 2.33–2.37.

Дополнительно для обработки результатов проведен модальный анализ конструкции ротора. В табл. 2.23 представлены первые две собственные частоты конструкции ротора при учете одной ступени компрессора и 3 ступеней, а также резонансные частоты колебания давления в 2FSI-постановке при учете одной ступени компрессора.

92

Допускаемые

перемещения

Рис. 2.33. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА на лопатке РК (Ux, Uy – радиальные направления, Uz – осевое направление): а– 2FSI-учет газодинамики РК, б – 2FSI-учет газодинамики РК, ЛУ и РУ

Допускаемые перемещения

Рис. 2.34. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА на границе контакта покрывного диска РК с зазором ЛУ (Ux, Uy – радиальные направления, Uz – осевое направление): а – 2FSI-учет газодинамики ЛУ, б – 2FSI-учет газодинамики РК, ЛУ и РУ

93

Допускаемые перемещения

Рис. 2.35. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА на границе контакте РУ с зазором лабиринтного уплотнения РУ (Ux, Uy – радиальные направления, Uz – осевое направление): а – 2FSI-учет газодинамики РУ,

б – 2FSI-учет газодинамики РК, ЛУ и РУ

Допускаемые перемещения

Рис. 2.36. Гистограммы максимальных перемещений при различных скоростях вращения ротора ГПА в центре торцевого сечения РУ (Ux, Uy – радиальные направления, Uz – осевое направление):

а – 2FSI-учет газодинамики РУ, б – 2FSI-учет газодинамики РК, ЛУ и РУ

94

Частота 1700 Гц регистрируется вблизи лопаток РК, в зазоре лабиринтного уплотнения РУ, со стороны области низкого давления в РУ, а также в зазоре ЛУ.

Можно отметить, что частота 100 Гц соответствует заданной скорости вращения ротора компрессора ГПА, а 1700 Гц – удвоенной лопаточной частоте.

Кроме того, проведен экспресс-анализ возможных причин резонансных колебательных процессов. Оказалось, что характерным частотам можно поставить в соответствие некоторые геометрические размеры элементов проточного тракта от 0,12 до 1,5 м, что может соответствовать наружному радиусу РК, РУ и длине проточной части компрессора ГПА.

2.10. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОУПРУГИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОСТУПЕНЧАТОМ ВАРИАНТЕ КОНСТРУКЦИИ КОМПРЕССОРА С СОВМЕСТНЫМ УЧЕТОМ ГАЗОДИНАМИКИ РАБОЧИХ КОЛЕС,НАПРАВЛЯЮЩИХ АППАРАТОВ, ЛАБИРИНТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ И РАЗГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА. СРАВНЕНИЕ С ПОСТАНОВКОЙ БЕЗ УЧЕТА ГАЗОДИНАМИКИ

При исследовании колебательных процессов ротора с учетом газодинамики трех ступеней компрессора, а именно трех рабочих колес (РК), двух направляющих аппаратов (НА), пяти лабиринтных уплотнений (ЛУ) и разгрузочного устройства (РУ), учитывались следующие элементы (рис. 2.38):

–вал;

–подшипники скольжения с заданной жесткостью;

–3 рабочих колеса;

–2 направляющих аппарата;

–3 лабиринтных уплотнения покрывного диска;

–2 лабиринтных уплотнения между ступенями;

96

–разгрузочное устройство;

–газодинамика 3 рабочих колес;

–газодинамика 2 направляющих аппаратов;

–газодинамика 3 лабиринтных уплотнений покрывного диска;

–газодинамика 2 лабиринтных уплотнений между ступенями компрессора;

–газодинамика разгрузочного устройства.

Учет направляющих аппаратов и лабиринтных уплотнений между ступенями компрессора необходим для корректного моделирования работы трех ступеней компрессора ГПА.

Численное моделирование колебательных процессов для трех ступеней компрессора проведено в рамках двух подходов:

1.Динамически упругая постановка определения напря- женно-деформированного состояния (НДС) ротора без учета газодинамики;

2.Динамически упругая постановка определения НДС ротора с совместным учетом газодинамики 3 РК, 2 НА, 5 ЛУ и РУ (2FSI-постановка).

Математическая модель базируется на уравнениях газодинамики и уравнениях механики деформируемого твердого тела (см. подразд. 2.2). Моделируемый отрезок времени составил 0,02 с

сшагом 5·10–5 с.

ГУ при исследовании колебательных процессов в трех ступенях компрессора, общие для 2FSI-подхода и моделирования без учета газодинамики, приняты следующим образом (рис. 2.39):

1. Задана скорость вращения ротора компрессора

5160об/мин (рабочий режим);

2.Перемещения на торце вала ротора со стороны РУ U z z 0 ограничены в осевом направлении (ближний торец на

рис. 2.39):

98

3. Отсутствуют тангенциальные перемещения на торце вала ротора со стороны трансмиссии U z 2460 мм – ограничение

обусловлено учетом трех ступеней компрессора (дальний торец на рис. 2.39):

4. Перемещения на поверхности контакта ЛУ с корпусом компрессора ограничены по всем степеням свободы:

5.На валу расположены 10 грузов с различной массой, имитирующих остаточные дисбалансы ротора, которые остаются после балансировки рабочих колес и других элементов ротора компрессора ГПА. Наличие грузов обусловлено технологическими погрешностями ротора при изготовлении;

6.Опоры имеют заданную жесткость, соответствующую жесткости подшипников скольжения (1,5·108 Н/м), для оценки радиальных перемещений в опорах ротора (при натурных испытаниях виброперемещения контролируются именно в опорах);

7.Не учитывается гравитация.

Рис. 2.39. ГУ при численном моделировании трех ступеней компрессора, общие для 2FSI-подхода и моделирования без учета газодинамики (ANSYS Transient Structural)

99

ГУ на входе, выходе и стенках трехмерных областей 2FSI-системы при моделировании трех ступеней компрессора с совместным учетом газодинамики 3 РК, 2 НА, 5 ЛУ и РУ представлены в табл. 2.24.

Таблица 2.24

ГУ на входе, выходе и стенках с совместным учетом газодинамики 3 РК, 2 НА, 5 ЛУ и РУ

ГУ на контактных поверхностях взаимодействия областей «газ – газ», «газ – конструкция» и «конструкция – конструкция» 2FSI-системы при моделировании трех ступеней компрессора с совместным учетом газодинамики 3 РК, 2 НА, 5 ЛУ и РУ рассматриваются аналогично табл. 2.8 для каждой из ступеней.

На рис. 2.40, 2.41 представлены поля скорости, давления и линии тока в газодинамической области ротора на скорости вращения компрессора 5160 об/мин.

Для оценки влияния газодинамической составляющей полостей компрессора на виброактивность ротора ГПА был проведен спектральный анализ перемещений конструкции в следующих точках (рис. 2.42):

1)на лопатке РК1 – точка 1;

2)на лопатке РК2 – точка 2;

3)на лопатке РК3 – точка 3;

4)на границе контакта покрывного диска РК1 с зазором ЛУ1 –

точка 4;

5)на границе контакта покрывного диска РК2 с зазором ЛУ2 –

точка 5;

6)на границе контакта покрывного диска РК3 с зазором ЛУ3 –

точка 6;

100