PL249130B1 - Uszczelnienie o zmniejszonym przecieku - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest uszczelnienie o zmniejszonym przecieku charakteryzujące się średnicą D, wysokością H, długością segmentu LS, długością podziałki LP oraz grubością zęba B i wysokością szczeliny HG, w którym zmienna długość podziałek LP(i) ząbków jest wyznaczona na podstawie analizy lokalnych maksimów bezwymiarowej energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym emax(i) według aproksymacji rozkładu lokalnych maksimów energii kinetycznej na długości segmentu, a w przypadku kiedy w komorze za i-tym lokalnym maksimum energii kinetycznej emax(i), znajdującym się w obszarze i-tego przewężenia, występuje kolejne lokalne maksimum energii kinetycznej emax(i+1), o wartości większej niż 0.96emax (i) to uwzględnia się to jako lokalne maksimum energii kinetycznej.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest uszczelnienie o zmniejszonym przecieku. Uszczelnienia labiryntowe są powszechnie stosowane w różnego rodzaju maszynach przepływowych takich jak turbiny parowe, turbiny gazowe, sprężarki i dmuchawy. Uszczelnienie labiryntowe zmniejsza przeciek w przestrzeni np. pomiędzy nieruchomym korpusem, a obracającym się wałem lub jego elementem np. bandażem wieńca łopatkowego. Dlatego uszczelnienia labiryntowe mają znaczący wpływ na sprawność maszyn energetycznych dużej mocy.

Cechą charakterystyczną uszczelnienia labiryntowego jest to, że elementy ruchome i nieruchome uszczelnienia, wzajemnie się nie dotykają. W turbinach parowych w miejscach znacznie oddalonych od łożysk oporowych stosowane są uszczelnienia labiryntowe jednostronne (Trutnovsky, 1964), (Childs, 2014).

Uszczelnienia dwustronne stosuje się w miejscach maszyn przepływowych, gdzie występują nieznaczne przesunięcia względne pomiędzy wałem, a korpusem.

Uszczelnienia wymienionych typów montowane są zarówno jako uszczelnienia zewnętrzne (międzykadłubowe) oraz uszczelnienia między stopniowe.

Generalnie uszczelnienie labiryntowe zapobiega przeciekowi pomiędzy dwoma przestrzeniami, w których panuje różne ciśnienie gazu pin > pout. Poglądową geometrię uszczelnienia jednostronnego z zaznaczonym przepływem gazu przedstawiono w celach ilustracyjnych na fig. 1 rysunku. Na skutek różnicy ciśnienia w uszczelnieniu labiryntowym przepływa gaz. Działanie uszczelnienia labiryntowego polega na tym, że przepływający gaz ulega sekwencyjnemu rozprężaniu w przewężeniach jak pokazano na fig 1 oraz na fig. 4 rysunku. W tych miejscach energia ciśnienia gazu zamieniana jest na energię kinetyczną. W wyniku czego w obszarze przewężeń następuje wyraźny spadek ciśnienia gazu (fig. 4a). W komorach za przewężeniami następuje dyssypacja energii kinetycznej gazu w ciepło na skutek turbulizacji przepływu wywołanej naprężeniami stycznymi pomiędzy przepływającym gazem, a ściankami oraz ruchem wirowym gazu.

Obecnie projektowane uszczelnienia labiryntowe posiadają stałą geometrię (równe są długości komór) lub sekwencyjnie powtarzające się geometrie dwóch lub trzech komór na całej długości segmentu. Powtarzająca się sekwencyjnie geometria wynika z uwarunkowań technologii wykonania uszczelnienia czy niezawodności. Przykładowe geometrie o stałej podziałce dla uszczelnienia jednostronnego i dwustronnego przedstawiono na rysunku odpowiednio na fig. 2 i fig. 3.

Czynnikiem roboczym przepływającym przez uszczelnienie labiryntowe jest na ogół gaz. W segmentach uszczelnień, które charakteryzują się znaczącym spadkiem ciśnienia (pin > pout s 2) (fig. 4a) występuje znacząca zmiana gęstości gazu (fig. 4b).

Z równania ciągłości przepływu opisanego zależnością m = Apc gdzie: Α - pole powierzchni przepływu, p - gęstość, c - prędkość gazu wynika, że rozprężający się gaz przepływając przez kolejne przewężenia będzie posiadał coraz to większą prędkość.

Stosowane współcześnie uszczelnienia labiryntowe posiadają zazwyczaj stałe wymiary komór. W wyniku przepływu rozprężającego się gazu w uszczelnieniu pomiędzy przewężeniami występują zmienne warunki przepływowe. W komorach nie następuje równomierne zmniejszenie prędkości gazu - co pokazano na fig. 5. To zjawisko przedstawiono w pracy (Joachimiak and Krzyślak, 2019).

Na wartość przecieku w uszczelnieniach duży wpływ ma zjawisko przenoszenia energii kinetycznej gazu pomiędzy przewężeniami (fig. 9, 10). Zjawisko to jest szczególnie intensywne w uszczelnieniach jednostronnych, w których ekspandujący strumień gazu przepływa przez całą długość komory z dużą prędkością. Przepływ gazu w uszczelnieniu o stałej geometrii charakteryzuje się tym, że w komorach występuje zmienny stopień dyssypacji energii kinetycznej gazu. W wyniku czego prędkość gazu w komorach maleje w różnym stopniu. W pracy (Joachimiak and Krzyślak, 2019) badano wpływ zwiększania liczby zębów dla stałej długości uszczelnienia jednostronnego na wartość przecieku. Z danych zawartych w pracy wynika, że dla uszczelnienia jednostronnego istnieje pewien zakres długości podziałki uszczelnienia dla którego uzyskano najmniejszy przeciek. Zwiększanie liczby ząbków uszczelnienia powoduje coraz mniejszą długość podziałki oraz zmniejszenie wymiarów komór. W pracy (Joachimiak and Krzyślak, 2019) udowodniono, że stosując zbyt dużą liczbę ząbków uzyskuje się efekt zwiększenia przecieku w uszczelnieniu. Jest to wynikiem przepływu gazu przez przewężenia, usytuowane blisko siebie oraz w komorach o małych objętościach. W przypadku zastosowania małych podziałek uszczelnienia jednostronnego charakter przepływu gazu dąży do przepływu jak w uszczelnieniu szczelinowym.

Wartość przecieku w uszczelnieniach labiryntowych maszyn przepływowych ma duży wpływ na ich sprawność. W pracy (Krzyślak and Winowiecki, 2008) analizowano wpływ średniej wysokości szczeliny uszczelnienia turbiny parowej 13K215 na stratę mocy. Wykazano, że dla nominalnej geometrii uszczelnienia wewnętrznego strata mocy sięga 1MW natomiast dla zużytego uszczelnienia może sięgać 2MW. Stąd wynika że waga zagadnień minimalizacji przecieku jest duża.

W pracy (Anker, Mayer and Stetter, 2002) przedstawiono analizę numeryczną przepływu w dwuząbkowym uszczelnieniu jednostronnym nadbandażowym w stopniu wolnoobrotowej turbiny osiowej, gdzie przeanalizowano wpływ przecieku na przepływ główny. W pracy tej wykazano duży wpływ przecieku na straty mieszania oraz przepływy wtórne, które generują duże straty energii w stopniu turbiny. Analiza tych zjawisk wiąże się z ze zjawiskiem przenoszenia energii kinetycznej gazu pomiędzy przewężeniami oraz kontrakcją strugi gazu przepływu w komorach uszczelnienia labiryntowego. W literaturze znane są różne metody obliczeniowe pozwalające oszacować lub określić wartość przecieku w uszczelnieniu labiryntowym. Pierwszy model obliczeniowy opisujący przepływ gazu w uszczelnieniu jednostronnym został opracowany przez Martin’a (Martin, 1908). Egli (Egli, 1935) oraz kolejni badacze Hodkinson (Hodkinson, 1939), Zimmermann i Wolff (Zimmerman and Wolff, 1987), w swoich modelach obliczeniowych uwzględniali zarówno zjawisko przenoszenia energii kinetycznej jak i wpływ kontrakcji przepływu. Modele te były dalej rozwijane między innymi przez Neumann’a (Childs and Scharrer, 1986) oraz Scharrer’a (Scharrer, 1988), którzy zaproponowali sposób obliczania przecieku w uszczelnieniu ząb po zębie. Efekt przenoszenia energii kinetycznej zależy od parametrów geometrycznych uszczelnienia takich jak podziałka i wymiary komory. Najbardziej zaawansowane z wymienionych modeli uwzględniają takie cechy geometrii uszczelnienia jak wysokość przewężenia, długość komory oraz grubość zęba. Wymienione modele dają informację o szacunkowej wartości przecieku. Jednak za pomocą tych modeli nie jest możliwe określenie geometrii, która charakteryzowałaby się najmniejszym przeciekiem (maksymalnym stopniem dyssypacji energii kinetycznej).

W pracach (Yuan et al., 2015) (Zhang et al., 2014) (Wang et al., 2007) (Joachimiak and Krzyślak, 2019) (Feng et al., 2018) opisano wpływ parametrów geometrycznych uszczelnienia takich jak podziałka, wymiary komory na wartość przecieku. Istotny wpływ na utratę szczelności ma stopień zużycia uszczelnienia (Joachimiak and Krzyślak, 2017). W pracy (Zhirong et al., 2015) zmniejszenie przecieku uzyskano poprzez drobne zmiany w geometrii komory zaburzając przepływ strumienia gazu o dużej prędkości.

Uszczelnienia labiryntowe projektuje się w taki sposób, aby uzyskać minimalny przeciek. Praca (Szymański et al., 2018) zawiera metodę optymalizacji jednostronnego uszczelnienia labiryntowego z dwoma pochylonymi zębami. Zmniejszenie przecieku uzyskano wykorzystując solver CFD zaimplementowanych w środowisku ANSYS oraz metodę optymalizacji zorientowaną na cel.

W pracy (Schramm et al., 2004), zmniejszenie przecieku uzyskano poprzez zmianę geometrii komory uszczelnienia stopniowanego z wykorzystaniem obliczeń CFD i algorytmów optymalizacyjnych opartych na metodach gradientowych. Metodę optymalizacji geometrii uszczelnienia jednostronnego opartą na modelu symulacyjnym sztucznej sieci nuronowej z wykorzystaniem parametrycznej optymalizacji CFD zawarto w pracy (Asok et al., 2007).

Na etapie projektowania maszyny przepływowej z reguły jest określone wymiarami miejsce, w którym ma znajdować się uszczelnienie. Dla zadanej długości oraz nominalnego wymiaru szczeliny promieniowej uszczelnienia ważna jest geometria, która charakteryzuje się minimalnym przeciekiem.

Istotą wynalazku jest uszczelnienie o zmniejszonym przecieku składające się z dwóch części ruchomej (wykonującej ruch obrotowy) i nieruchomej, w którym jedna z tych części (dowolnie która) posiada gładką powierzchnię natomiast druga powierzchnia posiada ząbki, charakteryzujące się średnicą D, wysokością H, długością segmentu LS, długością podziałki LP oraz grubością zęba B i wysokością szczeliny HG. Uszczelnienie posiada nierównomiernie rozstawione ząbki a zmienna długość podziałek LP(i) uszczelnienia jest wyznaczona równaniem bezwymiarowej energii kinetycznej na podstawie lokalnych maksimów bezwymiarowej energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym emax(i) według aproksymacji rozkładu lokalnych maksimów energii kinetycznej na długości segmentu. W przypadku uszczelnienia jednostronnego wynosi 0.0051 dla komory pierwszej, 0.0046 dla komory drugiej, 0.0043 dla komory trzeciej, 0.0044 dla komory czwartej, 0.004 dla komory piątej, 0.0052 dla komory szóstej, 0.0060 komory dla komory siódmej, 0.0070 dla komory ósmej, 0.0084 dla komory dziewiątej i 0.0099 dla komory dziesiątej dla uszczelnienia jednostronnego. Dla uszczelnienia dwustronnego natomiast wynosi 0.002041 dla komory pierwszej, 0.002488 dla komory drugiej, 0.003058 dla komory trzeciej,

0.003753 dla komory czwartej, 0.004571 dla komory piątej, 0.005512 dla komory szóstej oraz 0.006577 dla komory siódmej.

Dzięki zaproponowanym parametrom geometrii uszczelnienia uzyskuje się możliwie równomierną dyssypację energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym w każdej komorze uszczelnienia. Minimalizacja przecieku odbywa się poprzez odpowiednie rozmieszczenie ząbków uszczelnienia, a tym samym uzyskania zmiennej długości komór na podstawie zmian lokalnych maksimów energii kinetycznej gazu w uszczelnieniu.

Uszczelnienia według wynalazku oraz korzyści z nich wynikające przedstawiono przy pomocy następujących przykładów, figur rysunku i badań potwierdzających założenia wynalazku.

Wykaz figur rysunku:

• fig. 1 poglądowa geometria uszczelnienia jednostronnego z zaznaczonym przepływem gazu;

• fig. 2 przykładowa geometria uszczelnienia jednostronnego;

• fig. 3 przykładowa geometria uszczelnienia dwustronnego o stałej podziałce;

• fig. 4 przykładowy rozkład: a) ciśnienia, b) gęstości gazu w uszczelnieniu jednostronnym dla stosunku ciśnienia ρin/ρout= 2;

• fig. 5 wektory pól prędkości w przykładowym segmencie;

• fig. 6 przykładowa geometria uszczelnienia jednostronnego z odnośnikami;

• fig. 7 przykładowa geometria uszczelnienia dwustronnego z odnośnikami;

• fig. 8 geometria początkowa uszczelnienia jednostronnego wykorzystana w badaniach ekspe- rymentalnych;

• fig. 9 pole bezwymiarowej energii kinetycznej e w kierunku osiowym w przykładowym segmencie;

• fig. 10 rozkład bezwymiarowej energii kinetycznej e w kierunku osiowym w skali 0-0.6 dla: a) uszczelnienia jednostronnego o geometrii początkowej, b) uszczelnienia jednostronnego o geometrii wejściowej do metody; c) uszczelnienia dwustronnego;

• fig. 11 rozkład bezwymiarowej energii kinetycznej e z zaznaczonymi lokalnymi maksimami emax(i) oraz funkcją aproksymującą e(x).

• fig. 12 rozkład prędkości gazu w a) geometrii wejściowej, b) geometrii wynikowej uszczelnienia jednostronnego;

• fig. 13 bezwymiarowa energia kinetyczna gazu w uszczelnieniu jednostronnym • fig. 14 zmiana długości podziałek LP(i) wynikowej geometrii uszczelnienia jednostronnego;

• fig. 15 strumień masy w funkcji stosunku ciśnienia pin/pout: a) w uszczelnieniu o geometrii początkowej 7t_LS61_LP10 oraz wynikowej 10t_LS61_LPopt, b) uzyskana wartość zmniejszonego przecieku pomiędzy Δm geometrią początkową a wynikową;

• fig. 16 strumień masy uzyskany z eksperymentu dla geometrii wejściowej oraz wynikowej o wysokości szczeliny: a) HG = 0.315 mm, b) 0.4555 mm;

• fig. 17 rozkład prędkości gazu w uszczelnieniu dwustronnym a) geometria wejściowa, b) geometria wynikowa;

• fig. 18 maksima bezwymiarowej energii kinetycznej gazu emax(i) w uszczelnieniu dwustronnym;

• fig. 19 wynikowy rozkład długości podziałek uszczelnienia dwustronnego;

• fig. 20 wartości przecieku dla uszczelnienia dwustronnego o geometrii: a) początkowej PLconst, wynikowej PLopt, b) wartość zmniejszenia przecieku Δm.

Uszczelnienie o zmniejszonym przecieku składające się z dwóch części ruchomej (wykonującej ruch obrotowy) i nieruchomej, w którym jedna z tych części (dowolnie która) posiada gładką powierzchnię natomiast druga powierzchnia posiada ząbki, charakteryzujące się średnicą D, wysokością H, długością segmentu LS, zmienną długością podziałek LP(i) oraz grubością zęba B i wysokością szczeliny HG. W przykładzie liczba ząbków uszczelnienia została wyznaczona na podstawie kryterium optymalnej liczby ząbków, a nierównomierne rozstawienie ząbków - zmienna długość podziałek LP(i) ząbków wynosi odpowiednio 0.0051 dla komory pierwszej, 0.0046 dla komory drugiej, 0.0043 dla komory trzeciej, 0.0044 dla komory czwartej, 0.004 dla komory piątej, 0.0052 dla komory szóstej, 0.0060 komory dla komory siódmej; 0.0070 dla komory ósmej, 0.0084 dla komory dziewiątej i 0.0099 dla komory dziesiątej dla uszczelnienia jednostronnego oraz odpowiednio 0.002041 dla komory pierwszej, 0.002488 dla komory drugiej, 0.003058 dla komory trzeciej, 0.003753 dla komory czwartej, 0.004571 dla komory piątej, 0.005512 dla komory szóstej oraz 0.006577 dla komory siódmej dla uszczelnienia dwustronnego.

Podziałka w przykładzie została wyznaczona na podstawie lokalnych maksimów bezwymiarowej energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym emax(i) według aproksymacji rozkładu lokalnych maksimów energii kinetycznej na długości segmentu.

PL 249130 Β1

Istotnym jest uwzględnienie przypadku kiedy w komorze za i-tym lokalnym maksimum energii kinetycznej e_max(i), znajdującym się w obszarze i-tego przewężenia, występuje kolejne lokalne maksimum energii kinetycznej e_max(i+1), o wartości większej niż 0.96e_max(i) to uwzględnia się to jako lokalne maksimum energii kinetycznej.

W przykładzie realizacji zmniejszenia przecieku w uszczelnieniach jednostronnych dokonano doboru optymalnej liczby t ząbków oraz ich rozstawienia. Rozstawienie ząbków wiąże się z uzyskaniem zmiennej długości podziałek LP(i) uszczelnienia. Geometria uszczelnienia jednostronnego, którą pokazano na fig. 6 a także na fig. 8 charakteryzuje się średnicą D, wysokością H, długością segmentu LS, długością podziałki LP oraz grubością zęba B i wysokością szczeliny HG. Stosowane do tej pory geometrie uszczelnień labiryntowych jednostronnych posiadają zwykle stosunek podziałki do wysokości komór w przybliżeniu równy jedności (LP/H=1). Uszczelnienia jednostronne posiadają znacznie zmniejszony przeciek kiedy geometrie uszczelnienia charakteryzuje się parametrem (LP-B)/H w przybliżeniu równym 0.5. Taką wejściową geometrię poddaje się sprawdzeniu wartość parametru (LP-B)/H. Jeżeli jego wartość znacząco odbiega od 0.5 wówczas dobiera się tak liczbę równomiernie rozstawionych ząbków uszczelnienia na określonej długości LS aby uzyskać (LP-B)/H ~ 0.5. Dalej tą geometrię traktuje się jako wejściową do optymalizacji.

W przypadku uszczelnień dwustronnych geometrią wejściową do minimalizacji przecieku jest geometria rzeczywista bez zmiany liczby ząbków. Zmniejszenie przecieku w uszczelnieniach dwustronnych o stałej średnicy D i wysokości H polega na rozstawieniu ząbków poprzez dobór określonych długości podziałek LP(i).

W celu ustalenia wynikowej podziałki uszczelnienia wykonuje się analizę CFD dla geometrii wejściowej.

Dobór optymalnej podziałki dla modeli uszczelnień wykonano przyjmując następujące założenia. Na dopływie do uszczelnienia znane jest ciśnienie całkowite pin, za segmentem znane jest ciśnienie statyczne p_out. Na podstawie wymienionych warunków brzegowych i znanej geometrii wejściowej przeprowadza się obliczenia CFD.

Uszczelnienia labiryntowe są geometriami osiowosymetrycznymi. W metodzie bazujemy na lokalnej bezwymiarowej współrzędnej x (długości uszczelnienia, która jest równoległa do osi uszczelnienia).

Początek bezwymiarowego układu współrzędnych określony jest w miejscu pierwszego ząbka uszczelnienia od strony napływu gazu (Xmin = 0). Natomiast koniec bezwymiarowego układu współrzędnych znajduje się na końcu segmentu (Xmax - Xmm = LS). Wówczas

X x =---(2)

Przeanalizowano rozkład energii kinetycznej E w kierunku osiowym (przepływu głównego) w obszarze uszczelnienia. Energię kinetyczną gazu w kierunku osiowym zdefiniowano, jako

Ł (r, xJ = — ² [W] (3) gdzie u - prędkość gazu w kierunku osiowym. Przykładowe rozkłady energii kinetycznej gazu przedstawiono na fig. 9 i fig. 10.

Bezwymiarową energię kinetyczną zdefiniowano następująco:

E(r,x)-E gdzie:

Emin = 0 [J/kg] -jest to minimalna wartość energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym w obszarze uszczelnienia

PL 249130 Β1

Emax [J/kg] - jest to maksymalna wartość energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym w obszarze uszczelnienia

Dopasowanie geometrii do warunków przepływowych wymagało wyszukiwania lokalnych maksimów bezwymiarowej energii kinetycznej gazu w kierunku osiowym e_max(i) opisanych wzorem c (i)³⁸¹ mas ' *

E -E w mis (5)

Uszczelnienia Jednostronne: W uszczelnieniach labiryntowych jednostronnych największe wartości energii kinetycznej w kierunku osiowym występują w górnej części komór w obszarze przewężeń. Jednak niekiedy mogą one występować w górnej części komór pomiędzy przewężeniami (fig. 10b).

Uszczelnienia Dwustronne: W uszczelnieniach dwustronnych lokalne maksima energii kinetycznej występują zarówno w obszarze przewężeń jaki i w komorach uszczelnienia (fig. 10c).

Uszczelnienia Jednostronne i Dwustronne: Jeżeli w komorze za i-tym lokalnym maksimum energii kinetycznej e(i) (znajdującym się w obszarze i-tego przewężenia) występuje kolejne lokalne maksimum energii kinetycznej emax(i+1), które osiąga wartość większą niż 0.96e(i) to należy również uwzględnić to lokalne maksimum energii kinetycznej.

We współrzędnych bezwymiarowych aproksymuje się rozkład lokalnych maksimów energii kinetycznej na długości segmentu. Przykładowy rozkład bezwymiarowej energii kinetycznej e uzyskanej z linii przechodzącej przez obszary maksimów, znajdującej się w górnej części uszczelnienia z zaznaczonymi lokalnymi maksimami e_max(i) oraz funkcją aproksymującą e(x) pokazuje fig. 11.

We współrzędnych bezwymiarowych pole pod linią aproksymującą oznaczoną dalej w tekście, jako e(x) (fig. 11) dzieli się na n obszarów (x,, Xi+i). Liczba n obszarów równa jest liczbie komór segmentu wejściowego do obliczeń CFD. Długość każdego z obszarów na bezwymiarowej osi x’ jest taka sama i równa jest podziałce geometrii uszczelnienia Xi+i - x, = const = LP dla której wykonywane są obliczenia CFD.

Pole powierzchni pod krzywą aproksymującą można określić następująco:

i-i gdzie pola poszczególnych obszarów

Mi*l) AJi) = J c(x)dx Mi)

Pola pod krzywą e(x) poszczególnych obszarów są wagowo proporcjonalne do długości poszczególnych podziałek wyjściowej geometrii.

Długość poszczególnych podziałek wyjściowej geometrii uszczelnienia wynika z równania:

J c(x )dx LP(i)-LS^^-LS-^---^A‘ Je(x)dx

W wyniku zastosowanej metody uzyskuje się zmienną długość podziałek w uszczelnieniu dopasowaną do warunków przepływowych.

Przykład 1. Uszczelnienie jednostronne

Geometrią początkową jest segment uszczelnienia jednostronnego o długości LS = 61 mm, wysokości segmentu 1-1 = 10 mm, podziałce LP = 10 mm i grubości zęba B = 1 mm (fig. 6 i fig. 8). Geometria ta posiada siedem ząbków, charakteryzuje się parametrem (LP-B)/H równym 0.9. Na podstawie kryterium optymalnej liczby ząbków (LP-B)/H = 0.5 zwiększono liczbę ząbków do jedenastu (fig. 12a). Zmieniona geometria posiada wartość (LP-B)/H = 0.5. Dla tej geometrii wykonano obliczenia CFD. Uzyskany rozkład prędkości gazu w segmencie uszczelnienia przedstawiono na fig. 12a rysunku.

Rozkład bezwymiarowej energii kinetycznej na długości segmentu we współrzędnych bezwymiarowych przedstawiono na fig. 13 rysunku. Lokalne maksima energii kinetycznej e_max(i) (fig. 13) uzyskano

PL 249130 Β1 w każdym przewężeniu oraz w pierwszej komorze uszczelnienia. Wynikiem jest wynalazek - uszczelnienie labiryntowe jednostronne o dużej zmienności długości podziałek LP(i) (fig. 14), charakteryzujące się znaczącym zmniejszeniem przecieku. Najkrótsza trzecia podziałka w segmencie ma długość 4.39 mm natomiast ostatnia podziałka jest najdłuższa i wynosi 9.96 mm.

Z fig. 12 rysunku wynika, że zmiana geometrii w oparciu o metodę zmniejszenia przecieku wpływa na zmianę uzyskanego rozkładu prędkości gazu zarówno w obszarze przewężeń jak i komór uszczelnienia. W wyjściowej geometrii uzyskano optymalną liczbę ząbków-miejsc ekspansji z dopasowaną zmienną podziałka do rozkładu energii kinetycznej gazu na długości segmentu. Oznacza to, że w obszarach gdzie występuje stosunkowo mała energia kinetyczna gazu podziałki uszczelnienia są najkrótsze a tym samym uzyskuje się zagęszczenie miejsc ekspansji. Tam gdzie energia kinetyczna się zwiększa podziałki uszczelnienia LP(i) proporcjonalnie są większe. Z fig. 12b rysunku wynika, że odpowiedni dobór podziałki umożliwia uzyskanie dopasowanych długości komór uszczelnienia tak aby uzyskać w nich maksymalne zawirowania gazu.

Dla geometrii początkowej (fig. 8) oraz wynikowej (fig. 12b) wykonano obliczenia CFD dla różnych stosunków ciśnienia pin/pout w zakresie od 2 do 2.8. Wyniki dla geometrii początkowej i wynikowej uszczelnienia jednostronnego przedstawiono w tabeli 1 pokazującej wartości przecieku, różnicę bezwzględną i względną przecieku w zależności od stosunku ciśnienia pin/pout dla p_Out=10⁵ Pa.

Tabela 1

Pin/Pont []	m [kg/s] 7t LS61 LP10	w [kg /5] lit LS61 LPopt	Aw [Ag /5]	óm [%]
2	0,0440	0,0401	0,0038	8.7
2.2	0.0500	0.0453	0.0047	9.5
2.4	0.0556	0.0504	0.0052	9.4
2.6	0.0610	0.0553	0.0057	9.3
2.8	0.0663	0.0604	0.0059	8.9

Dla coraz to większego stosunku ciśnienia pin/pout w zakresie od 2 do 2.8 można uzyskać coraz to większą szczelność Am w zakresie od 0.0038 do 0.0059 kg/s, co daje względne zmniejszenie przecieku δ m w zakresie od 8.7% do 9.4% (fig. 15). Dla geometrii z przykładu 1 wykonano badania eksperymentalne weryfikujące wynalazek. Przeprowadzono je dla segmentu o wysokości szczeliny HG = 0.315 oraz 0.4555 mm. Wyniki uzyskane z eksperymentu przedstawiono na fig. 16 rysunku, gdzie pokazano strumień masy przepływający przez uszczelnienie o geometrii początkowej i wynikowej w zależności od pin/pout.

Dane eksperymentalne potwierdzają znaczące zmniejszenie strumienia masy w wyniku zastosowania wynalazku. Dla coraz większego stosunku ciśnienia pin/pout różnica strumienia masy pomiędzy geometrią wejściową a wynikową jest coraz większa (fig. 16).

Przykład 2. Uszczelnienie dwustronne (geometria zbliżona do elementu przedniej dławnicy z turbiny 13CK60)

Analizowano uszczelnienie labiryntowe dwustronne składające się z ośmiu ząbków naprzemiennie umieszczonych w wale i korpusie uszczelnienia (fig. 7 oraz fig. 10c). Geometrią początkową jest segment uszczelnienia dwustronnego o średnicy D = 139.92 mm, długości LS = 28.5 mm, wysokości segmentu H = 4 mm, stałej podziałce LP = 4 mm i grubości zęba B = 0.5 mm (fig. 7 oraz fig. 17a). Geometria początkowa uszczelnienia wg. metody optymalizacji jest jednocześnie geometrią wejściową, dla której wykonano obliczenia CFD. Rozkład maksimów bezwymiarowej energii kinetycznej w zależności od bezwymiarowej długości segmentu przedstawiono na fig. 18.

W obszarze pierwszego przewężenia uzyskano jedno lokalne maksimum energii kinetycznej fig. 18. W kolejnych obszarach przewężeń występowały po dwa lokalne maksima energii kinetycznej e_max(i).

Wynikiem jest wynalazek - uszczelnienie labiryntowe dwustronne o dużej zmienności długości podziałek LP(i) (fig. 19) charakteryzujące się znaczącym zmniejszeniem przecieku. Gdzie pierwsza podziałka uszczelnienia ma długość 2.04 mm natomiast ostatnia 6.58 mm.

Dla geometrii początkowej (fig. 17a) oraz wynikowej (fig. 17b) przeprowadzono obliczenia zmiany szczelności w funkcji stosunku ciśnienia pin/pout od 2 do 2.8. W tabeli 2 przedstawiono uzyskane wartości przecieku dla wyżej wymienionych geometrii oraz bezwzględną i względną wartość zmniejszenia przecieku.

PL 249130 Β1

Tabela 2

Pii/Pout [”]	m [Ag /.v] 8t _LP4	m [Ag/a] 8t_LP_opt	A/»[Ag/s]	dm [%]
2	0.03016	0.02909	0.00107	3.53
2.2	0.03407	0.03287	0.00121	3.54
2.4	0.03789	0.03654	0.00135	3.55
2.6	0.04163	0.04015	0.00148	3.57
2.8	0.04532	0.04370	0.00162	3.58

Dla coraz większego stosunku ciśnienia odnotowano zmniejszenie przecieku Am od wartości 0.00107 do wartości 0.00162 kg/s (Tabela 2 oraz fig. 20). Zmiany przecieku w zależności od stosunku ciśnienia pin/pout przedstawiono na fig. 18 rysunku. Względne zmniejszenie przecieku dla analizowanej geometrii uszczelnienia dwustronnego jest mało zależne od stosunku ciśnienia pin/pout i 400 wynosi od 3.53 do 3.58% (Tabela 2). Zmniejszenie przecieku Am w zależności od pin/pout ma przebieg liniowy (fig. 20).

Geometrie wynikowe przedstawiono w tabelach 3 i 4.

Tabela 3 - Uszczelnienie jednostronne zgodnie z przykładem 1.

komory	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
podzialka LP fnil	0.00516	0.00464	0.00439	0.00441	0.00469	0.00523	0.00603	0.00709	0.00840	0.00996

Tabela 4 - Uszczelnienie dwustronne zgodnie z przykładem 2.

komory	1	2	3	4	5	6	7
podzialka LP [m]	0.002041	0.002488	0.003058	0.003753	0.004571	0.005512	0.006577

Z przedstawionych przykładów dla uszczelnień jednostronnych i dwustronnych wynika, że nowe zaproponowane geometrie uszczelnienia jednostronnego i dwustronnego o parametrach geometrycznych dopasowanych do warunków przepływowych mogą być zaimplementowane dla wielu rzeczywistych przypadków uszczelnień labiryntowych stosowanych w maszynach przepływowych. Potwierdza to przykład zmiany geometrii uszczelnienia dwustronnego wykonano na podstawie rzeczywistego uszczelnienia z turbiny 13CK60.

Minimalizacja przecieku w uszczelnieniach labiryntowych jest ważnym zagadnieniem pozwalającym zwiększyć sprawność maszyn przepływowych o dużej mocy. Zmniejszenie przecieku w uszczelnieniu uzyskuje się bez zmiany wymiarów zewnętrznych uszczelnienia, wyłącznie ingerując w geometrię elementów wewnętrznych uszczelnienia. Dla uszczelnień jednostronnych zmianie ulega tylko liczba ząbków oraz długości podziałek dla uszczelnień dwustronnych zmienia się długość podziałek.

Wynikowe geometrie uszczelnień według wynalazku umożliwią zmniejszenie przecieku w różnego typu maszynach przepływowych np. turbinach parowych, sprężarkach zarówno nowych projektowanych jak i zainstalowanych na etapie modernizacji i remontów.

Dla przykładowej geometrii uszczelnienia jednostronnego uzyskano zmniejszenie przecieku na poziomie od 8.7 do 9.5 % dla stosunku ciśnienia pin/pout od 2 do 2.8. W przypadku geometrii uszczelnienia dwustronnego uzyskano stałe względne zmniejszenie przecieku o wartości około 3.55%.

Zaletą przedstawionych geometrii uszczelnień jest uzyskanie wyraźnie zmniejszonego przecieku w stosunku do geometrii początkowych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Uszczelnienie o zmniejszonym przecieku składające się z dwóch części ruchomej i nieruchomej, w którym jedna z tych części posiada gładką powierzchnię natomiast druga powierzchnia posiada ząbki charakteryzujące się średnicą D, wysokością H, długością segmentu LS, długością podziałki LP oraz grubością zęba B i wysokością szczeliny HG znamienne tym, że

   PL 249130 Β1 posiada nierównomiernie rozstawione ząbki a zmienna długość podziałek LP(i) ząbków wynosi 0.0051 dla komory pierwszej, 0.0046 dla komory drugiej, 0.0043 dla komory trzeciej, 0.0044 dla komory czwartej, 0.004 dla komory piątej, 0.0052 dla komory szóstej, 0.0060 komory dla komory siódmej, 0.0070 dla komory ósmej, 0.0084 dla komory dziewiątej i 0.0099 dla komory dziesiątej dla uszczelnienia jednostronnego oraz 0.002041 dla komory pierwszej, 0.002488 dla komory drugiej, 0.003058 dla komory trzeciej, 0.003753 dla komory czwartej, 0.004571 dla komory piątej, 0.005512 dla komory szóstej oraz 0.006577 dla komory siódmej dla uszczelnienia dwustronnego.