一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法。該方法為：1）綜合流體計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，建立帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒幾何計(jì)算模型和三維鼓筒結(jié)構(gòu)模型；2）利用步驟1）中的三維幾何計(jì)算模型，計(jì)算不同偏心量下鼓筒表面靜壓值；3）在步驟2）的基礎(chǔ)上，計(jì)算帶有篦齒封嚴(yán)的鼓筒表面徑向氣動(dòng)力和切向氣動(dòng)力；4）利用步驟1）中的三位結(jié)構(gòu)模型，在步驟2）的基礎(chǔ)上，計(jì)算氣流激振對(duì)鼓筒特性的影響。本發(fā)明通過計(jì)算帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒表面氣動(dòng)力和氣動(dòng)力對(duì)鼓筒結(jié)構(gòu)關(guān)于靜力學(xué)特性的變化，結(jié)合了單純計(jì)算某轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣流激振力和研究結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)影響下的力學(xué)特性，適合具體尺寸和結(jié)構(gòu)的筒式轉(zhuǎn)子的計(jì)算。
【專利說明】一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的渦輪機(jī)械(軸流式壓氣機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī))是電力工業(yè)、航空航天工業(yè)的重要設(shè)備。但其在設(shè)計(jì)制造中還存在許多問題，由此導(dǎo)致在運(yùn)行中發(fā)生嚴(yán)重的事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失以至人員傷亡。
[0003]導(dǎo)致各種惡性事故的重要原因是由于大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)、失穩(wěn)，而引起振動(dòng)、失穩(wěn)的主要因素是系統(tǒng)的各種激振力。因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子所受激振力的研究可以了解轉(zhuǎn)子激振力主要有油膜反力、氣流周期激振力、密封力等。另外，柔性轉(zhuǎn)子由于偏心引起的激振力(簡稱Alford力)也是激振力中常見的一種。[0004]鼓筒是以上旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中常見的連接結(jié)構(gòu)，同時(shí)鼓筒上的篦齒又有封嚴(yán)的作用，其密封性能影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能。由于制造過程的問題或不平衡力作用，轉(zhuǎn)定子會(huì)產(chǎn)生相對(duì)偏心，使得轉(zhuǎn)定子周向間隙不均勻，并且這種不均勻分布是隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變化的。因此，封嚴(yán)篦齒齒間距不均勻以及轉(zhuǎn)定子偏心必然會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)力且在鼓筒各位置不均等，復(fù)雜的氣流激振會(huì)影響鼓筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。能否建立篦齒鼓筒封嚴(yán)的模型及合理計(jì)算，決定著能否準(zhǔn)確分析氣動(dòng)力對(duì)鼓筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)影響，以及確定氣動(dòng)邊界條件。
[0005]盡管國內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)密封結(jié)構(gòu)的氣流激振進(jìn)行了大量研究，主要圍繞盤式篦齒的封嚴(yán)機(jī)理，從泄漏量、轉(zhuǎn)速等方面對(duì)篦齒封嚴(yán)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，而對(duì)于鼓筒式篦齒的計(jì)算不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)上的空缺，本發(fā)明提出一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，該計(jì)算方法的具體步驟為:
[0007]I)綜合流體計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，建立帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒幾何計(jì)算模型和帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒結(jié)構(gòu)模型；
[0008]2)利用步驟I)中的三維幾何計(jì)算模型，計(jì)算不同偏心量下鼓筒表面靜壓值；
[0009]3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，計(jì)算帶有篦齒封嚴(yán)的鼓筒表面徑向氣動(dòng)力和切向氣動(dòng)力；
[0010]4)利用步驟I)中的三維結(jié)構(gòu)模型，在步驟2)的基礎(chǔ)上，計(jì)算氣流激振對(duì)鼓筒特性的影響。
[0011]所述步驟I)建立帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒幾何計(jì)算模型具體包括:
[0012]11)簡化和省略不會(huì)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成較大影響的幾何細(xì)節(jié)；
[0013]12)為了加速計(jì)算收斂性，采用多重網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格；
[0014]多重網(wǎng)格的層數(shù)通過網(wǎng)格數(shù)目來確定，網(wǎng)格數(shù)目滿足:
[0015]Σ 2η+1 (η ≥ 2)[0016]其中η表示網(wǎng)格層數(shù)；
[0017]多重網(wǎng)格的層數(shù)是:min (η) +1 ；
[0018]13)計(jì)算并設(shè)定流道壁面的第一層網(wǎng)格寬度:
【權(quán)利要求】
1.一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，該計(jì)算方法的具體步驟為: 1)綜合流體計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析，建立帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒幾何計(jì)算模型和帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒結(jié)構(gòu)模型； 2)利用步驟I)中的三維幾何計(jì)算模型，計(jì)算不同偏心量下鼓筒表面靜壓值； 3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，計(jì)算帶有篦齒封嚴(yán)的鼓筒表面徑向氣動(dòng)力和切向氣動(dòng)力； 4)利用步驟I)中的三維結(jié)構(gòu)模型，在步驟2)的基礎(chǔ)上，計(jì)算氣流激振對(duì)鼓筒特性的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟I)建立帶有篦齒封嚴(yán)的三維鼓筒幾何計(jì)算模型具體包括: 11)簡化和省略不會(huì)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成較大影響的幾何細(xì)節(jié)； 12)為了加速計(jì)算收斂性，采用多重網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格； 多重網(wǎng)格的層數(shù)通過網(wǎng)格數(shù)目來確定，網(wǎng)格數(shù)目滿足:
Σ 2η+1 (η ^ 2) 其中η表示網(wǎng)格層數(shù)； 多重網(wǎng)格的層數(shù)是:min (η) +1 ； 13)計(jì)算并設(shè)定流道壁面的第一`層網(wǎng)格寬度:U 二 6今)-吟押'..其中，ywaii為壁面第一層網(wǎng)格大小，單位為m ;VMf為參考速度，單位m/s ;Lraf為參考長度，單位為m ；v為流體的運(yùn)動(dòng)粘性，單位為m2/s 為無量綱量，對(duì)應(yīng)不同的湍流模型，有不同的取值范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟11)中的幾何細(xì)節(jié)指的是篦齒的齒形和設(shè)定流道中模擬葉片間具體形狀尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟I)建立三維鼓筒結(jié)構(gòu)模型，需要?jiǎng)澐峙c三維鼓筒幾何計(jì)算模型網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格，主要是指周向的網(wǎng)格數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟2)具體為: 21)設(shè)置鼓筒篦齒與定子的不同偏心量e，選取合適的進(jìn)出口邊界條件； 22)根據(jù)不同渦動(dòng)頻率比Ω/ω計(jì)算并提取多組靜壓值，其中Ω是偏心鼓筒渦動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速，ω為鼓筒轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 23)在計(jì)算鼓筒表面靜壓值的基礎(chǔ)上，獲取鼓筒表面靜壓力P隨時(shí)間變化的關(guān)系，變換關(guān)系式如式:φ' = φ-cotρ{φ') = ρ{φ-ω?) 其中，爐為偏心坐標(biāo)系周向角，供'為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系周向角。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟21)中進(jìn)出口邊界條件是指在進(jìn)口、出口處的壓力和溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟22)中渦動(dòng)頻率比取O，0.2，-0.5，-1.0。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟3)具體為: 31)在步驟23)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同偏心量下鼓筒表面靜壓值求積分，求解出徑向氣動(dòng)力、切向氣動(dòng)力，公式為


9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟32)中偏心量e=0.2mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有篦齒封嚴(yán)的偏心鼓筒氣動(dòng)力計(jì)算方法，其特征在于，所述步驟4)具體為:根據(jù)已知的鼓筒表面氣動(dòng)力，利用線性插值加載的方式將步驟22)中得到的靜壓值加載到鼓筒表面進(jìn)行加載計(jì)算，利用有限元軟件計(jì)算鼓筒結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力變化。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103745030SQ201310676854
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】陳陸淼, 秦朝燁, 王洪玉, 褚福磊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)