Influence of Gas Physical Properties on Labyrinth Seals Throttling Characteristics / Influența proprietăților fizice ale gazelor asupra caracteristicilor de curgere ale etanșării de tip labirint / Влияние физических свойств газов на расходные характеристики лабиринтного уплотнения

• Published in: Problems of the regional energetics Vol. 2018; no. 3
• Main Authors: Rodymchenko, T S, Bashlak IA, Baga, V N, Vanyeyev, S M, Bondarenko, G A
• Format: Journal Article
• Language: English; Romanian; Russian
• Published: Chişinău Institute of Power Engineering 01.01.2018
• Subjects: Convergence; Divergence; Flow characteristics; Flow coefficients; Gases; Knots; Labyrinth seals; Leakage; Mathematical models; Model testing; Physical properties; Rotating shafts; Signs and symptoms; Throttling
• ISSN: 1857-0070
• DOI: 10.5281/zenodo.2222364

The most important issue when designing the labyrinth sealing knots is the question of the correct-ness of the model tests results application. This task has not had a strong solution so far. For practi-cal calculations of labyrinth seals famous formulae for determining leakage through the hole are used. They are supplemented by coefficients obtained experimentally in conditions which practically had nothing to do with full scale ones: flat (non-circular) models are used, possible effect of the shaft rotation and the operating environment behavior are not taken into account. For the purpose of obtaining the answer to a question concerning the impact factor of gas physical properties on the flow characteristics of labyrinth seals a series of physical and numerical experiments on various gas-es were carried out. The studies were conducted under conditions maximum approximate to field ones. Pilot studies were conducted on a standard experimental bench to specify throttling character-istics of labyrinth seals. Numerical investigations were conducted using the СFD techniques on var-ious gases. Numerical study and experiment confirmed the influence of gas physical properties on throttling characteristics of labyrinth seals. The heavier the gas the more intensive symptoms are. Flow coefficient divergence of the seal run by air and vapor is about 30%. It has been proved and confirmed by experiments. Visualization of flow has been obtained. Studies have shown a signifi-cant impact of gas physical properties on leakage degree. La proiectarea dispozitivelor de etanșare labirint se consideră importantă corectitudinea aplicării rezultatelor testelor de model. Această problemă nu are o soluție strictă. La calcularea etanșărilor labirint se folosesc formule ce determina scurgerea prin gaura, suplimentata cu coeficienti experimentali obtinuti in conditii care diferă mult de cele reale. Scopul acestui studiu constă în determinarea influenței proprietăților fizice ale mediului de lucru asupra caracteristicilor de curgere prin etanșarea labirint cu modele de calcul și experimente. S-a investigat etanșarea labyrintică a unui compresor centrifugal al unei unități de pompare a gazului ГПА-16 cu dimensiuniea D=240 mm. Studiile experimentale au fost efectuate pe un stand experimental special pentru a determina caracteristicile de curgere ale etanșărilor labirint folosind un cazan cu abur. Studiile numerice au fost efectuate folosind metode CFD pe diferite gaze. Se utilizează sectorul де calcul γ = 30, numărul de celule N = 200000, modelul k -e al turbulenței, convergența rezultatelor a fost estimată din convergența fluxului de masă în secțiunile de intrare și ieșire ale modelului. În baza rezultatelor numerice și experimentale s-au obținut valorile debitului de masă al etanșării labirint, ce a permis determinarea coeficienților debitelor de consum. Au fost obținute rezultate noi: s-a constatat, că influența mediului este mai mare, cu cât densitatea este mai mare, astfel, discrepanțele în coeficienții de curgere a etanșării obținute în aer și în vapori de apă constituie cca. 30%. Studiile au arătat necesitatea de a ține seama de proprietățile fizice ale gazelor în calculele dispozitivelor de etanșare. Важнейшим вопросом при проектировании лабиринтных уплотнительных устройств является вопрос о корректности применения результатов модельных испытаний. Эта задача до сих пор не имеет строгого решения. Для практических расчетов лабиринтных уплотнений используются известные формулы по определению величины протечки через отверстие, дополненные опытными коэффициентами, полученными экспериментально в условиях, весьма отдаленных от натурных: используются плоские (не кольцевые) модели, не учитывается возможный эффект вращения вала, влияние свойств рабочей среды и др. Установление степени влияния физических свойств газов на расходные характеристики лабиринтных уплотнений осуществлялось путем проведения серии физических и численных опытов на различных газах. Целью настоящего исследования было определить влияние физических свойств рабочей среды на расходные характеристики лабиринтных уплотнений, работающих как на модельных, так и на натурных условиях. Поставленная цель достигалась путем проведения серии численных и экспериментальных опытов. Исследовалось лабиринтное уплотнение центробежного компрессора серийного газоперекачивающего агрегата нагнетателя типа ГПА – 16 с натурными размерами (D = 240 мм). Экспериментальные исследования проводились на специальном экспериментальном стенде для определения расходных характеристик лабиринтных уплотнений с использованием парового котла. Численные исследования проводились с использованием СFD методов на различных газах. Использовался расчетный сектор , количество расчетных ячеек N=200000, k – e модель турбулентности, сходимость результатов оценена по сходимости массового расхода во входном и выходном сечениях модели. По результатам численных и экспериментальных исследований получены значения массового расхода исследуемых лабиринтных уплотнений, что позволило определить их коэффициенты расхода. Получены новые результаты: установлено, что влияние среды тем больше чем больше ее плотность; так, например, расхождения коэффициентов расхода уплотнения, полученные на воздухе и водяном паре около 30%. Исследования показали необходимость учета физических свойств газов при расчетах уплотнительных устройств.