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识别偏心与倾斜率特征函数差异

在环形密封中,转子的复杂扰动可以分解为两种简单扰动形式:偏心扰动和倾斜扰动,如图1所示。为了研究同心环形密封的动力学特性,一般假定转子绕密封中心轴线做圆形涡动,如图2所示。转子在密封间隙内圆形涡动所引起的流体力和流体力矩可通过实验或数值计算获得,并用于识别环形密封的动特性系数。两种扰动形式对应于两种圆形涡动形式:偏心圆形涡动和倾斜圆形涡动(也称为圆柱涡动和圆锥涡动)。

图1:密封间隙内的扰动形式

密封间隙内的扰动形式

ca88手机版流体载荷的方向与转子的偏心位置以及涡动方向有关。对于圆锥涡动来说,转子在密封间隙入口截面和出口截面的偏心位置是相反的;对于这种情况,基于转子在出口截面的运动来决定的方向。

基于恒速圆形涡动(圆柱涡动和圆锥涡动),要识别出环形密封的全部动特性系数,至少需要6次涡动流场的数值模拟。对于瞬态模拟来说,这将会耗费大量的时间。然而,相比于两种准稳态方法,瞬态方法在研究环形密封动力学特性方面具有更高的精度,这一点在第二章中已经验证。因此,有必要探讨如何改善传统瞬态方法的耗时性问题,相比于气体密封,液体密封的动力学特性一般是与转子涡动频率不相关的。

基于计算流体动力学,瞬态模拟了三组不同变速圆柱涡动下的密封流场,采用的密封压差为907kPa。其中,涡动半径r取0.049mm,即偏心率12.4%;时间步长取转子同步涡动1度所用的时间,即1.5432E-4S。

ca88手机版静压的大小和梯度基本上是不变的,而压力分布随涡动转子一起旋转。这对应于恒速涡动下密封流体力和力矩的大小不变,而方向随转子位置变化。尽管所研究的环形密封为长径比等于3的长密封,相比于流体激振力,其产生流体激振力矩是非常小的。因此,在环形密封动力学特性研究中,应该更加关注密封的流体激振力。

图2:变速圆柱涡动引起的密封流体力和力矩

变速圆柱涡动引起的密封流体力和力矩

表1:对应于流体力的偏心动特性系数

K(Wm)

c (N*s/m)

M(kg)

k (N/m)

C(N*s/m)

实验结果

6,22E+05

1.00E+04

8.20E+01

1.49E+06

3.76E+04

DT=0.0\s

4.05E+05

7.45E+03

8.30E+01

K09E+06

3.09E+04

DT=0,03s

3.84E+05

8.14E+03

8.29E+01

1.08E 十 06

3.10E+04

DT=0.05s

3.75E+05

8.29E+03

8.19E+01

1.09E+06

3.10E+04

传统瞬态方法

3.72E+05

8.44E+03

8.21 E+01

1.08E+06

3.08E+04

改进准稳态方法

3.63E+05

5.50E+03

4.23E+01

1.13E+06

3.00E+04

从表2中可以看出,不同瞬态模拟(三个变速涡动和一个恒速涡动)计算的力系数是相近的。除交叉阻尼系数c外,基于变速涡动的新瞬态方法计算出的力系数甚至稍优于基于恒速涡动的传统瞬态方法。相比于改进准稳态方法,两种瞬态方法总体上具有更好的计算精度,特别是在计算主质量系数M方面。

表2:对应于流体力矩的偏心动特性系数

_ (N/m)

c„,; (N-s/m)

M;;(kg)

kai: (N/m)

Cm (N-s/m)

实验结果

-48925.6!

61.13

-1.02

-33505.75

-979.41

F7=0.0 Is

-62196.14

29.90

-0.20

7802.00

-584.42

D7M).03s

-61697.99

21.16

-0.22

7687.29

•587.91

DT=0.05s

-61761.54

13.55

-0.32

8099.50

-590.02

ca88手机版厂采用基于变速涡动的新瞬态方法时,变速时间Dr(对应涡动角加速度Jacc)的大小对10个偏心动特性系数的影响很小。如果Dr取0.01s(18%),总的模拟时间只有0.01926s(近125个时间步),计算时间不会太长。因此,在环形密封动力学研究中,瞬态方法的耗时性问题得到了很好地解决。


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点击次数:  更新时间:2018-01-26 09:38:38  【打印此页】  【关闭