ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В СТУПЕНЧАТОМ УПЛОТНЕНИИ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ BSL REYNOLDS

Ступенчатое щелевое уплотнение используются в гибридных машинах для организации герметизации рабочих полостей насоса и компрессора.

Уплотнение обладает длиной l₁ и зазором δ₁ со стороны компрессорной секции, в которой давление составляет Р₁, а также длиной l₂ и зазором δ₂ со стороны насосной секции с давлением Р₂ [1, с.64-65].

Рисунок 1. Ступенчатое щелевое уплотнение

Произведем исследование течения жидкости через щелевое уплотнение при ходе поршня от полости компрессора к насосной полости используя современный программно-вычислительный комплекс Ansys V18.2 с пакетом CFX.

Модель турбулентности BSL Reynolds является универсальной, поскольку сочетает в себе преимущественные качества моделей k-ε и SST.

В качестве основных параметров принимаем: δ₁ и δ₂ – 25 мкм, l₁ и l₂ – 20 мм, давление на входе в уплотнение Р₁ – 10 бар, на выходе Р₂ – 1 бар, диаметр поршня – 0,04 м.

Для расчета производим составление расчетной сетки уплотнения, максимальное значение элемента составляет - 0,000002 м, минимальное значение - 0,000001 м.

Рисунок 2. Расчетная сетка щелевого уплотнения

После завершения процесса создания расчетной сетки необходимо задать граничные условия на входе и выходе из уплотнения.

При расчете используем следующие граничные условия:

- модель турбулентности – Shear Stress Transport;

- рабочее тело – жидкость;

- давление на входе Р₁, на выходе Р₂;

- интенсивность турбулентности – 5 %.

Рисунок 3. Постановка граничных условий

После завершения расчета получаем картину распределения скоростей в щелевом уплотнении ступенчатого вида.

Рисунок 4. Распределение скоростей в щелевом уплотнении

Анализируя рисунок 4, необходимо отметить при движении жидкости от входа осуществляется дросселирование жидкости где скорость имеет максимальное значение в центральной красной области т.е. распространение жидкости осуществляется от центра к периферии, где максимальная скорость составляет – 1,75 м/с, при истечении жидкости из ссуженного пространства некоторое время она еще имеет высокую скорость, а после начинает снижаться соответствующее желтой и зеленой области. Под ступенькой образуется голубая область, в которой скорость течения жидкости равняется нулю.

Определим число Рейнольдса при течении жидкости в ступенчатом уплотнении:

Определим давление Р₃, которое создается в щели [2, с. 45-48]:

Рассчитав давление в зазоре, определяем расход жидкости, который перетекает из насосной секции в компрессорную [3, с. 220]:

Рисунок 5. Распределение векторов скоростей в щелевом уплотнении

Распределение векторов наглядно демонстрирует переход жидкости из ссуженного пространства в расширенное уплотнение зазора.

В заключении необходимо отметить программа Ansys предоставляет широкий спектр анализа гидродинамических параметров, применяемых к поршневым гибридным энергетическим машинам. По результатам расчета определена скорость течения жидкости, определено число Рейнольдса, которое свидетельствует о ламинарном течении жидкости, поскольку не превышает критического числа, которое составляет 2320, определен расход жидкости, который за цикл перетекает из одной полости во вторую.

Список литературы:

1. Баженов А.М. Разработка и исследование поршневой гибридной энергетической машины с щелевым уплотнением ступенчатого вида: диссертация кандидата Технических наук: 05.04.13 / Баженов Алексей Михайлович;[Место защиты: ФГБОУ ВО Омский государственный технический университет], 2017 – 250 с.
2. Щерба, В. Е. Разработка и исследование поршневого уплотнения, выполненного в виде гладкой щели ступенчатого вида для поршневой гибридной энергетической машины объемного действия / В. Е. Щерба, Е. А. Лысенко, Г. А. Нестеренко // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2016. - № 4. - C. 45-48.
3. Болштянский А.П. Поршневые компрессоры с бесконтактным уплотнением/ А.П. Болштянский, В.Е. Щерба, Е.А. Лысенко, Т.А. Ивахненко. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 416 с.