Labyrinth seal optimization and its effect on rotor dynamics in a turbomachine
Rauhala, Lauri (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023052648430
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023052648430
Tiivistelmä
The objective of the research was to study what are the most relevant labyrinth seal design variables including different geometrical dimensions, the number of blades, and seal location to affect leakage, and how much they affect individually. Also, which seal variables affect rotor instability, their individual impacts, and the relationship between leakage, radial labyrinth seal location, and axial thrust in a radial compressor impeller was studied.
Computational Fluid Dynamics and three different analytical methods, Egli’s, Martin’s, and Kearton’s methods, were used in leakage calculations. Black’s and Child’s methods were used to obtain seal rotor dynamic coefficients. Alford’s and Wachel’s methods were used in calculation of impeller aerodynamic cross-coupled stiffnesses. A rotor dynamic model was made using input values from high temperature heat pump compressor design project. The effect of change in seal rotor dynamic coefficients and impeller aerodynamic stiffnesses to natural frequencies and damping ratios were studied.
The main findings were that seal radius, clearance, and blade shape have a major effect, chamber width and number of blades have a moderate effect, and blade height and width have a minor effect on leakage. Other main findings were that only seal length and clearance affect rotor dynamic coefficients, and the effect of labyrinth seal and impeller aerodynamic cross-coupled stiffness to natural frequencies and damping ratios is small. It was concluded that, in a radial seal, the closer the seal is to the rotor, the smaller the leakage, but the larger are the axial forces, and vice versa. Tutkielman tehtävänä oli tutkia mitkä labyrinttitiivisteen suunnittelutekijät, mukaan lukien eri geometriset mitat, terien lukumäärä ja tiivisteen paikka, vaikuttavat tiivisteen vuotoon, sekä kuinka paljon eri muuttujat vaikuttavat itsenäisesti. Tehtävänä oli tutkia myös, mitkä labyrinttitiivisteen muuttujat vaikuttavat roottoridynaamiseen epätasapainoon ja kuinka paljon, sekä miten radiaalisen labyrinttitiivisteen paikan muutos vaikuttaa vuotoon.
Labyrinttitiivisteen vuodon laskemiseen käytettiin tietokonepohjaista fluididynamiikan laskemismenetelmää ja kolmea erilaista analyyttista menetelmää, Eglin, Martinin, ja Keartonin menetelmää. Blackin ja Childin menetelmiä käytettiin roottoridynaamisten kerrointen laskemisessa. Alfordin ja Wachelin menetelmiä käytettiin siipipyörän aerodynaamisen ristijäykkyyden laskemisessa. Korkealämpötilalämpöpumpun suunnitteluprojektin tietoihin pohjaten luotiin roottoridynaaminen malli. Labyrinttitiivisteen roottoridynaamisten kerrointen ja siipipyörän aerodynaamisen ristijäykkyyden muutosten vaikutusta luonnolliseen värähtelytaajuuteen ja vaimennussuhteisiin tutkittiin.
Tärkeimmät löydökset olivat, että tiivisteen säteellä, välyksellä ja terän muodolla oli suuri vaikutus, kammion leveydellä ja terien määrällä oli keskisuuri vaikutus, ja että terän korkeudella ja leveydellä oli vähäinen vaikutus vuotoon. Muita tärkeitä löydöksiä olivat, että vain tiivisteen aksiaalinen pituus ja välys vaikuttavat roottoridynaamisiin kertoimiin, ja että labyrinttitiivisteen ja siipipyörän aerodynaamisen ristijäykkyyden tuomat vaikutukset luonnolliseen värähtelytaajuuteen ja vaimennussuhteisiin olivat vähäisiä. Yhtenä tärkeänä johtopäätöksenä oli, että mitä lähempänä tiiviste on roottoria radiaalisessa labyrinttitiivisteessä, sitä pienempi on vuoto, mutta sitä suuremmat ovat aksiaalivoimat, ja toisin päin.
Computational Fluid Dynamics and three different analytical methods, Egli’s, Martin’s, and Kearton’s methods, were used in leakage calculations. Black’s and Child’s methods were used to obtain seal rotor dynamic coefficients. Alford’s and Wachel’s methods were used in calculation of impeller aerodynamic cross-coupled stiffnesses. A rotor dynamic model was made using input values from high temperature heat pump compressor design project. The effect of change in seal rotor dynamic coefficients and impeller aerodynamic stiffnesses to natural frequencies and damping ratios were studied.
The main findings were that seal radius, clearance, and blade shape have a major effect, chamber width and number of blades have a moderate effect, and blade height and width have a minor effect on leakage. Other main findings were that only seal length and clearance affect rotor dynamic coefficients, and the effect of labyrinth seal and impeller aerodynamic cross-coupled stiffness to natural frequencies and damping ratios is small. It was concluded that, in a radial seal, the closer the seal is to the rotor, the smaller the leakage, but the larger are the axial forces, and vice versa.
Labyrinttitiivisteen vuodon laskemiseen käytettiin tietokonepohjaista fluididynamiikan laskemismenetelmää ja kolmea erilaista analyyttista menetelmää, Eglin, Martinin, ja Keartonin menetelmää. Blackin ja Childin menetelmiä käytettiin roottoridynaamisten kerrointen laskemisessa. Alfordin ja Wachelin menetelmiä käytettiin siipipyörän aerodynaamisen ristijäykkyyden laskemisessa. Korkealämpötilalämpöpumpun suunnitteluprojektin tietoihin pohjaten luotiin roottoridynaaminen malli. Labyrinttitiivisteen roottoridynaamisten kerrointen ja siipipyörän aerodynaamisen ristijäykkyyden muutosten vaikutusta luonnolliseen värähtelytaajuuteen ja vaimennussuhteisiin tutkittiin.
Tärkeimmät löydökset olivat, että tiivisteen säteellä, välyksellä ja terän muodolla oli suuri vaikutus, kammion leveydellä ja terien määrällä oli keskisuuri vaikutus, ja että terän korkeudella ja leveydellä oli vähäinen vaikutus vuotoon. Muita tärkeitä löydöksiä olivat, että vain tiivisteen aksiaalinen pituus ja välys vaikuttavat roottoridynaamisiin kertoimiin, ja että labyrinttitiivisteen ja siipipyörän aerodynaamisen ristijäykkyyden tuomat vaikutukset luonnolliseen värähtelytaajuuteen ja vaimennussuhteisiin olivat vähäisiä. Yhtenä tärkeänä johtopäätöksenä oli, että mitä lähempänä tiiviste on roottoria radiaalisessa labyrinttitiivisteessä, sitä pienempi on vuoto, mutta sitä suuremmat ovat aksiaalivoimat, ja toisin päin.