DESIGN OPTIMIZATION OF LABYRINTH SEALS

Labyrinth seals are essential for sealing rotating parts subject to high temperatures. Currently, 60% of methane emissions are caused by leakage of turbines and pneumatic devices. Due to the growth of the demand for lower pollutant emissions and the demand for more efficient devices, leakage of labyrinth seals are becoming more critical. Thus, this project intends to develop a methodology to design labyrinth seals to minimize the leakage problem. The main concept of the labyrinth is based on two requirements. First, there is always a gap between the parts, so the shaft can rotate without any contact, avoiding any premature wear on the system. Then, there is recirculation chambers in order to maximize the turbulence flow and, as a result, minimize the fluid flow. However, its design is not very obvious, because the interaction fluid-structure, which occurs in this region, brings the challenge of developing a robust and systematic methodology to the labyrinth seals design. Therefore, this work contains numerical analysis, such as FENICS, with Topology Optimization, which is a computational optimization method that allows the design of structures with two or more materials in an optimized shape, so the objective function can be maximized or minimized. The project intends to maximize the pressure drop or the energy flow in the labyrinth seals, including some restrictions, in order to make possible the manufacture of the found solutions by using 3D printers.

Escopo em português

OTIMIZAÇÃO TOPOLÓGICA DE JUNTAS LABIRINTO

Juntas labirinto são fundamentais para vedação em peças rotativas submetidas a alta temperatura. Atualmente, 60% das emissões de metano são causadas por vazamentos em turbinas e dispositivos pneumáticos. Com a crescente demanda por baixas emissões de poluentes e pela necessidade de equipamentos mais eficientes, os vazamentos das juntas labirinto tornam-se cada vez mais críticos. Assim, propõe-se desenvolver uma metodologia de projeto de juntas labirinto de forma a minimizar os vazamentos. O conceito principal de juntas labirinto é baseado em dois requisitos. Um deles é a existência de uma folga que permita a rotação do eixo sem que haja contato entre as superfícies evitando, assim, o desgaste prematuro dos componentes. Porém, esta folga causa um intrínseco vazamento. O segundo é que as juntas possuam câmaras de recirculação a fim de maximizar a turbulência no escoamento e, consequentemente, minimizar o vazamento do fluido. Entretanto, sua concepção não é óbvia devido às iterações fluido-estrutura que ocorrem na região e, portanto, é necessário desenvolver uma metodologia robusta e sistemática para o projeto de tais juntas. Visando isso, neste trabalho serão combinados métodos de análise numérica, tais como FENICs, com a Otimização Topológica – um método computacional de otimização que permite projetar estruturas com dois ou mais materiais, distribuídos de forma ótima, de modo a extremar (maximizar ou minimizar) uma dada função objetivo. Pretende-se investigar a maximização da perda de carga ou da energia dissipada na junta labirinto, incluindo restrições a fim de viabilizar a manufatura das soluções encontradas utilizando impressoras 3D.

TEAM

Emílio Carlos Nelli Silva (POLI-USP)
Project Coordinator

Bruno Caldas de Souza (POLI-USP)
Sandro Luis Vatanabe (POLI-USP)
Hélio Emmendoerfer Junior
Ruben Andres Salas Varela