Конечно-объемное моделирование и расчет лабиринтного уплотнения центробежного компрессора

Abstract

Актуальность. В последнее время все большее распространение получают конструкции бесконтактных уплотнений (например, сухие газодинамические уплотнения), которые используются в основном как концевые уплотнения валов машин, в которых применяются опасные газы в качестве рабочих тел. Несмотря на увеличившуюся сложность в изготовлении, в сравнении с уплотнениями, использовавшимися ранее, такие уплотнения обладают большей герметичностью. При модернизации центробежного турбокомпрессора на производстве возникла необходимость увеличения эффективности работы концевых уплотнений с целью повышения надежности их работы и увеличения межремонтного периода компрессорной установки. Для этого был разработан проект улучшенных концевых уплотнений с использованием барьерных и буферных газов, позволяющих минимизировать загрязнение концевых уплотнений. Весьма важным вопросом стала проверка предложенных вариантов конструктивных решений с точки зрения надежности запирания пирогаза в лабиринтном уплотнении и возможных протечек в машинный зал используемых в предлагаемой конструкции взрывоопасных и вредных газов. Для этого было решено воспользоваться методом конечных объемов, который позволяет рассчитать параметры лабиринтного уплотнения любой сколько угодно сложной формы, а также обладает хорошей наглядностью в представлении результатов. В применении к поставленной задаче метод конечных объемов позволяет получить необходимые численные параметры процесса течения смеси газов в лабиринтном уплотнении, такие как массовый расход газов на входе и выходе из лабиринтного уплотнения, детальную картину объемного распределения газов, поступающих и истекающих из лабиринтного уплотнения; а также картину распределение давления и температуры в предложенном конструктивном исполнении лабиринтного уплотнения. Цель: проверка предложенных конструктивных решений и расчет массового расхода газов, поступающих и истекающих из системы уплотнений ступени среднего давления центробежного турбокомпрессора при величине зазора 0,5 и 0,35 мм. Объекты: ступень среднего давления компрессора, моделирование процесса течения смеси газов через лабиринтные уплотнения ступени компрессора. Методы: метод конечных объемов с использованием ANSYS CFX. Результаты. Рассчитаны величины объемов поступающих и истекающих газов при величине зазора в лабиринтном уплотнении 0,5 и 0,35 мм.

Abstract. Relevance. To date, an urgent issue in the oil and gas industry is to increase the efficiency and the costeffectiveness of turbomachines by increasing the efficiency of individual units. One way to improve efficiency is to reduce parasitic gas leaks from the turbomachine body. In conditions of high angular velocities and large pressure drops, noncontact labyrinth seals are used. They are a simple and reliable means of preventing gas leaks, despite their low tightness. During the modernization of the centrifugal turbocharger in production, it became necessary to increase the efficiency of the end seals in order to increase the reliability of their operation and increase the overhaul period of the compressor unit. To this end, a project was developed for modified end seals using barrier and buffer gases to minimize contamination of the end seals. Aim. Verification of the proposed design solutions and calculation of the mass flow rate of gases entering and leaving the sealing system of the intermediate pressure stage of a centrifugal turbocompressor at a gap value of 0.5 and 0.35 mm. Objects. Design of the labyrinth seal of turbocompressor intermediate pressure stage, influence of the gap in labyrinth seal on the volume flow rate of gases. Methods. Finite volume method. Results. The authors have calculated the volumes of incoming and outgoing gases at labyrinth seal gaps values of 0.5 mm and 0.35 mm