The leakage and rotordynamic coefficients of see-through type gas labyrinth seals are determined using a two-control-volume-model analysis with Moody's wall-friction-factor formula which is defined with a large range of Reynolds number and relative roughness. Jet flow theory are used for the calculation of the recirculation velocity in the cavity. For the reaction force from the labyrinth seal, linearized zeroth-order and the first-order perturbation equations are developed for small motion about a centered position. The leakage and rotordynamic coefficient results of the present analysis are compared with Scharrer's theoretical analysis using Blasius' wall-friction-factor formula and Pelletti's experimental results. The comparison shows that the present analysis using Moody's wall-friction-factor formula and Scharrer's theoretical analysis using Blasius' wall-friction-factor formula give the same results for a smooth seal surface and the range of Reynolds number less than $10^5$.
In present 3D CFD study, the method for determining leakage and rotordynamic coefficients of a plain-gas seal is suggested by using the relative coordinate system for steady-state simulation. In order to find the effect of pre-swirl speed at seal inlet, pre-swirl velocity is included as a parameter. Present analysis is verified by comparison with results acquired from Bulk-flow analysis code and published experimental results. The results of 3D CFD rotordynamic coefficients of direct stiffness(K) and cross-coupled stiffness(k) show improvements in prediction. As pre-swirl speed at seal inlet increases, k also increases to destabilize system. However, pre-swirl speed at seal inlet does not show sensitivity to the leakage and rotordynamic coefficients of K and damping(C).
In this paper the leakage prediction and rotordynamic analysis of an annular seal with a smooth rotor and circumferentially grooved stator are performed based on a three-controlvolume theory. The present analysis is validated by comparing with the experimental data of Iwatsubo and Sheng and theoretical results suggested by Marquette and Childs. For the leakage prediction the present analysis shows a good agreement with Marquette and Childs' result and a qualitation agreement with Iwatsubo and Shengs' experimental data. Direct and cross-coupled stiffness coefficients show closer agreement with the experimental values than those of Marquette and Childs. However, direct damping coefficient shows greater discrepancy from the experimental value than Marquette and Childs'.
This study is to analyze the rotordynamic effect of surface-friction- factor characteristics on an annular seal. The honeycomb geometry which shows friction-factor-jump phenomena is used in this study. A rotordynamic analysis for a contered annular seal has been developed by incorporating empirical friction-factor model for honeycomb stator surfaces. The results of the analysis for the honeycomb seal showing the friction-factor jump is compared to the non- friction-factor-jump case. The results yield that the friction-factor-jump decreasesdirect stiffness and cross coupled stiffness coefficients, and increases damping coefficient to stabilize rotating machinery in a rotordynamic point of view. The analysis of the honeyeomb seal for the friction-factor-jump case shows reasonably good compared to experimental results, especially, for cross coupled and damping coeffcients.
Basic equations and their solution procedure we derived for the analysis of an annular pump seal in which the rotor has a large static displacement from the centered position. The Bulk-flow is assumed for a control volume set in the seal clearance and the flow is assumed to be completely turbulent in axial and circumferential direction. Moody's wall-friction-factor formula is used for the calculation of wall shear stresses in the control volume. For the reaction force developed by the seal, linearized zeroth-order and first-order perturbation equations are developed for small motion about an eccentric position. Flow variables are expanded by using Fourier series for the solution procedure. Integration of the resultant first-order pressure distribution along and around the seal defines the 12 elements of rotordynamic coefficients of the eccentric annular pump seal. The results of leakage and rotordynamic coefficients aye presented and compared with the Marquette's experimental results and the San Andres' theoretical analysis.
The basic equations are derived for the analysis of a staggered labyrinth gas seal which are generally used in high performance compressors and steam turbines. The Bulk-flow is assumed for a single cavity control volume and the flow is assumed to be completely turbulent in circumferential direction. Moody's wall-friction-factor formula is used for the calculation of wall shear stresses in the single cavity control volume. For the reaction force developed by the seal, linearized zeroth-order and first-order perturbation equations are developed for small motion about a centered position. Integration of the resultant first-order pressure distribution along and around the seal defines the rotordynamic coefficients of the staggered labyrinth gas seal. Theoretical results of leakage and rotordynamic characteristics for the staggered labyrinth gas seal are compared with those of the plain seal and see-through labyrinth seal.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.11a
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pp.116-120
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2003
In general, industrial rotating machinery have been designed to have critical speed that is above operating speed. But nowadays, they should be operated more than the first critical speed as usual with the trend of high speed and high performance of rotating machinery. Therefore, it is important to predict the accuracy rotordynamic characteristics of the high speed rotating system in advance. In this paper, the results of rotordynamic analysis about FWP(Feed Water Pump) drive turbine rotor are showed. Because the FWP drive turbine analyzed is high speed machinery operated more than the operation speed of conventional FWP drive turbine, Seismic response analysis as well as unbalance response analysis is done in order to improve the reliability of the new turbine rotor-bearing system.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1997.10a
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pp.138-144
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1997
The analysis of lateral hydrodynamic forces from the compressor labyrinth seals is presented. The basic equations are derived using a two-control-volume model for compressible flow. Blasius' wall friction-factor formula and jet flow theory are used for the calculation of the wall shear stresses and the recirculation velocity in the cavity. Linearized zeroth-order and first-order perturbation equations are developed for small motion about a centered position by an expansion in the eccentricity ratio. Integration of the resultant first-order pressure distribution along and around the seal defines the rotordynamic coefficients of the labyrinth seal. The rotordynamic analysis for the balance drum labyrinth seal of an ethylene refrigeration compressor is carried out. The results of rotordynamic characteristic of the labyrinth seal and comparisons with other types of seal, honeycomb seal and smooth seal, are presented.
In this Part II study, rotordynamic stability analyses were carried out to confirm improvements to the stability of a process high-speed lightweight centrifugal compressor, depending on the effects of tilting pad journal bearing designs. The bearing design variables considered were the clearances, LBPs, LOPs, and preloads. The results showed that the rotordynamic stability of the subject compressor rotor-bearing system improves exactly in accordance with the effects of the bearing design variables, which were determined in the preceding Part I study, owing to reduced bearing stiffnesses. Specifically, it was confirmed that the stability of the rotor system can be greatly improved by increasing both the machined and assembled bearing clearances, but there were no stability improvements by simply changing from an LBP to an LOP design. In addition, it was confirmed that for given fixed machined bearing clearances, the stability can be additionally improved by decreasing the preloads, i.e., by increasing the assembled clearances. In conclusion, it may be necessary to improve the designs of the original tilting pad bearings to obtain a sufficient margin of rotordynamic stability against a possible aerodynamic cross-coupled stiffness in a process high-speed centrifugal compressor. Thus, increasing the machined and assembled bearing clearances and decreasing the preload could be effective solutions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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