Данная работа посвящена оптимизационному исследованию ступенчатого лабиринтного уплотнения микротурбодетандерной установки мощностью 75 кВт. Задачи, решаемые в ходе исследования: 1. Поиск и анализ литературы по теме численного моделирования течения в уплотнениях, определение и сравнение способов постановки подобных исследований; 2. Поиск и анализ литературы по теме оптимизации конструкции уплотнений; 3. Оптимизация конструкции ступенчатого уплотнения топологическим и параметрическим методом. На основе анализа исследований течений в лабиринтных уплотнениях методом численного моделирования построена расчетная модель для моделирования течения в ступенчатом лабиринтном уплотнении. CFD-расчеты для определения показателей эффективности работы уплотнения проводятся в программном обеспечении ANSYS Fluent. Топологическая оптимизация проводится внутри программного обеспечения ANSYS Fluent при помощи модуля Fluent Adjoint Solver. В случае параметрической оптимизации рассматривается изменение пяти независимых геометрических параметров, используется MOGA (Multi-Objective Genetic Algorithm или многокритериальный эволюционный алгоритм). В результате получены две оптимизированные конструкции ступенчатого уплотнения с улучшенными показателями. Проведен анализ результатов и предложен путь продолжения исследования.

In the given paper a shape optimization of a 75 kW microturboexpander plant stepped labyrinth seal is conducted. Tasks accomplished in the paper are the following: 1. Search and analysis of papers and works upon the subject of CFD labyrinth seal modeling, detecting and comparing different case setups applied; 2. Search and analysis of papers and works upon the subject of labyrinth seal shape optimization; 3. Stepped labyrinth seal shape topological and parameter optimization. A stepped labyrinth seal throughflow CFD case setup is made on a basis of previous researches analysis. The CFD simulations are performed by ANSYS Fluent computer code. The topological optimization is accomplished by means of Fluent Adjoint Solver. Five independent input parameters are used in the parameter optimization by the MOGA (Multi-Objective Genetic Algorithm). The study resulted in two optimized shape stepped seals with reduced leakage. An analysis is made on the results of the research and a way of developing further investigations upon the stepped seal is proposed.

• Введение
• 1. Обзор и анализ литературы
  • 1.1. Общее описание течений в уплотнениях
    • 1.1.1. Характеристика лабиринтных уплотнений
    • 1.1.2. Описание процесса в уплотнении
  • 1.2. Показатели качества работы уплотнений
  • 1.3. Общий подход к численному моделированию течений в уплотнениях
    • 1.3.1. Факторы, влияющие на течение в уплотнениях
    • 1.3.2. Постановка задачи методом CFD
• 2. Постановка задачи исследования
  • 2.1. Турбина микротурбодетандерной установки
  • 2.2. Параметры течения
  • 2.3. Конструкция уплотнения
  • 2.4. Подход к оптимизации уплотнений
• 3. Топологическая оптимизация с помощью модуля Fluent Adjoint Solver
  • 3.1. Описание метода оптимизации
  • 3.2. Настройка задачи оптимизации
  • 3.3. Анализ результатов
• 4. Параметрическая оптимизация с помощью модуля DesignXplorer
  • 4.1. Настройка задачи оптимизации
  • 4.2. Анализ результатов
• 5. Заключение
• Список использованных источников