Uszczelnienia bezdotykowe. Badania, modelowanie i optymalizacja.

Praca dotyczy uszczelnień bezdotykowych stosowanych w maszynach przepływowych. Rolą uszczelnień bezdotykowych jest minimalizowanie przecieku pomiędzy dwoma przestrzeniami, w których występuje różnica ciśnienia czynnika roboczego. Tego rodzaju uszczelnienia stosuje się wtedy, gdy ogranicza się przeciek w przestrzeni pomiędzy powierzchniami będącymi we wzajemnym ruchu, kiedy nie można zastosować uszczelnień dotykowych. Głównym osiągnięciem przedstawionym w monografii jest metoda optymalizacji uszczelnień labiryntowych jedno- i dwustronnych. Umożliwia ona jednoznaczne określenie geometrii uszczelniania o zmniejszonym przecieku. Polega na dopasowaniu wymiarów komór do warunków przepływowych przy zadanych wymiarach zewnętrznych uszczelnienia. Metoda opiera się na obliczeniach CFD geometrii wejściowej i wiąże się z analizą rozkładu lokalnych maksimów bezwymiarowej energii kinetycznej gazu w uszczelnieniu. Zastosowanie pełnego wariantu metody pozwala zmniejszyć przeciek do 15.4%. Zoptymalizowana geometria ma prawie stałą względną wartość zmniejszenia przecieku w szerokim zakresie badanego spadku ciśnienia.

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń 9

Streszczenie 11

1. Wprowadzenie 13
1.1. Geometrie i opis poszczególnych uszczelnień bezdotykowych oraz miejsca 
ich stosowania 13
1.2. Pojęcia wstępne – zasada działania uszczelnień15
1.3. Uzasadnienie podjęcia tematu 18
1.4. Aktualny stan wiedzy 19

2. Opis stanowiska badawczego 27
2.1. Konstrukcja stanowiska 27
2.2. Układ pomiarowy 31
2.3. Analiza błędów pomiarowych 34

3. Analiza parametrów termodynamicznych i przepływowych 
w uszczelnieniu labiryntowym 39
3.1. Badania rozkładu prędkości w komorze uszczelnienia labiryntowego 
na podstawie badań eksperymentalnych i obliczeń numerycznych 39
3.2. Analiza rozkładu ciśnienia w modelowym segmencie 
uszczelnienia labiryntowego jednostronnego 49
3.2.1. Przedmiot badań 50
3.2.2. Założenia dotyczące obliczeń 51
3.2.3. Wyniki obliczeń 54
3.3. Analiza przepływu gazu w segmencie uszczelnienia jednostronnego o dużym stopniu zużycia na podstawie badań eksperymentalnych 
i obliczeń CFD 60
3.3.1. Przedmiot badań 60
3.3.2. Wyniki badań eksperymentalnych 63
3.4. Wpływ geometrii uszczelnienia na wartość przecieku 69

4. Model obliczeniowy przepływu gazu w uszczelnieniu szczelinowym     75
4.1.    Wprowadzenie 75
4.2.    Model obliczeniowy 76
4.3.    Porównanie danych eksperymentalnych z wynikami obliczeń 81

5. Analiza przepływu gazu w uszczelnieniu labiryntowym o zmiennej podziałce 87
5.1.    Wprowadzenie 87
5.2.    Zakres badań eksperymentalnych 89
5.3.    Jednowymiarowe metody obliczeniowe 90
5.4.    Zakres badań CFD 92
5.5.    Wyniki badań dla różnej liczby ząbków 93
5.6.    Wpływ grubości zębów na charakter przepływu i wartość przecieku 100
5.7.    Analiza szczelności segmentów o różnych wysokościach szczelin 
na podstawie danych eksperymentalnych03

6. Uniwersalny model obliczeniowy uszczelnień labiryntowych 107
6.1.    Przegląd modeli obliczeniowych dla uszczelnień labiryntowych 107
6.2.    Metoda wyznaczania współczynnika przepływu na podstawie badań eksperymentalnych 108
6.3.    Wyniki badań eksperymentalnych współczynnika przepływu cSV 111
6.4.    Model obliczeniowy CSV 112
6.5.    Analiza wyników badań eksperymentalnych i wyników obliczeń 116

7. Eksperymentalna i numeryczna analiza przepływu gazu 
przez osiowosymetryczną szczelinę pierścieniową 125
7.1.    Badania eksperymentalne 125
7.2.    Wyniki obliczeń CFD 128

8. Metoda optymalizacji uszczelnienia labiryntowego pod względem minimalizacji przecieku przez dopasowanie geometrii do warunków przepływowych 137
8.1.    Wstęp 137
8.2.    Metoda optymalizacji 138
8.3.    Założenia do obliczeń CFD 146
8.4.    Przykłady obliczeniowe 147
8.5.    Podsumowanie 160

9. Podsumowanie 163

Literatura 167