IDENTIFIKACE VLASTNOSTÍ UCPÁVEK ROTAČNÍCH STROJŮ

Ing. Karel KALISTA

Doctoral thesis

IDENTIFICATION OF SEALS IN ROTATING MACHINES

Abstract:

Kvantifikace dynamických silových koeficientů labyrintových ucpávek používaných v parních turbínách není v současné době jednoznačně vyřešena. Výpočetní numerické nástroje umožňují výpočet koeficientů při návrhu turbosoustrojí, avšak nedostatek experimentálních dat neumožňuje porovnání a validaci výsledků. Proto je nezbytné provádět experimentální měření a identifikaci koeficientů ucpávek. Tato disertační práce se zaměřuje na identifikaci koeficientů ucpávek s využitím magnetických ložisek. Je popsána konstrukce nového experimentálního zařízení s magnetickými ložisky a jeho uvádění do provozu. Dále jsou prezentovány výsledky identifikačních experimentů labyrintové ucpávky. Motivací bylo porovnání výsledků s výpočetním numerickým nástrojem používaným ve společnosti Doosan Škoda Power, která se také účastnila projektu. Úvodní část této práce se zaměřuje na poskytnutí uceleného pohledu na význam silových koeficientů ucpávek a na způsoby jejich identifikace s využitím aktivních magnetických ložisek. Je vysvětlen vliv koeficientů na stabilitu rotoru a jsou popsány identifikační metody v časové a frekvenční oblasti. Dále se práce věnuje popisu nového experimentálního zařízení a jeho uvádění do provozu. Zařízení se skládá z jednoho axiálního a dvou radiálních magnetických ložisek, která podpírají rotor a řízeně budí jeho vibrace. Dále jsou součástí zařízení motor, stator s ucpávkami a měřící ústředna s elektronikou. Je popsán návrh zpětnovazebního řízení magnetických ložisek, které umožnuje vybudit požadované vibrace rotoru během identifikačního experimentu ucpávky. Dále jsou měřeny magnetické síly radiálních ložisek pomocí snímačů instalovaných pod ložiskovými domečky. Je popsán postup jejich kalibrace pomocí hmotnosti rotoru a měření jeho výchylky. V závěru práce jsou představeny výsledky identifikačního experimentu labyrintové ucpávky. Z měření tlaku v kavitách labyrintové ucpávky a výchylky rotoru jsou určeny síly působící na rotor vlivem proudění média v ucpávce a jsou identifikovány koeficienty ucpávky. Pro okrajové podmínky odpovídající experimentu byly napočítány ve výpočetním nástroji odpovídající koeficienty ucpávky. Vypočtené a identifikované koeficienty vykazují určitou shodu, nicméně bude zapotřebí pokračovat v práci a provést další experimenty pro ověření a zpřesnění výsledků. Změřené magnetické sily ložisek byly použity pro určení sil působících na rotor vlivem ucpávky. Další práce bude spočívat v analýze a upřesnění získaných sil tak, aby mohl být tento způsob měření sil použit pro identifikaci koeficientů ucpávek.

Abstract:

The quantification of the dynamic force coefficients of labyrinth seals used in steam turbines is currently not clearly resolved. Numerical tools offer the calculation of seal coefficients in the design of the turbomachinery; however, a lack of experimental data makes comparison and verification impossible. Therefore, it is necessary to carry out experimental measurements and identification of seal coefficients. This dissertation focusses on identification of seal coefficients with use of magnetic bearings. The design and commissioning of a new test device with active magnetic bearings is documented. Furthermore, preliminary experiments were performed, and the results are presented. The motivation was to compare the results with the numerical tool used at Doosan Škoda Power, which is the manufacturer of steam turbines and a participant of this project. The introductory part of this work is focused on providing a comprehensive review of the meaning of the seal dynamic force coefficients and methods of their identification, especially when using magnetic bearings. The effect of coefficients on rotor stability is explained and the identification methods in time domain and frequency domain are introduced. Furthermore, the work describes a new experimental device and its commissioning. The test device consists of one axial and two radial magnetic bearings that support a rotor and excite the rotor vibration. The test device also includes a drive unit, stator with seals and the control and measurement system. The design of feedback control system of magnetic bearings is described. The control system enables to excite the required rotor vibration during the experiment. The measurement of the magnetic force of radial bearings is carried out using sensors mounted under the bearing housing. A calibration procedure using known rotor mass and measured vibration is described. Finally, the results of the identification experiments are presented. The seal fluid induced forces acting on the rotor were determined based on seal pressure and rotor vibration measurement and the seal coefficients were identified. The seal coefficients were calculated using the numerical tool for the boundary conditions corresponding to the experiment. The calculated and identified coefficients show a certain agreement. However, it will be necessary to carry out further experiments and future work for verification and refinement. The measured magnetic forces were used to determine the fluid-induced forces. Further analysis and refinement of the acquired forces is required.

Keywords

labyrintová ucpávka, magnetická ložiska, experimentální identifikace, dynamické silové koeficienty

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 2. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Eduard Janeček, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Cybernetics