Автореферат (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей)

На правах рукописиПугачёв Александр ОлеговичЩЁТОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ В РОТОРНЫХ СИСТЕМАХАВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ05.07.05 — Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратовАвтореферат диссертации на соискание учёной степенидоктора технических наукМосква — 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)».Научный консультант:доктор технических наук, профессорРАВИКОВИЧ Юрий Александрович.Официальные оппоненты:ИВАНОВ Андрей Владимирович,доктор технических наук, доцент,ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», главный конструктор;ТЕМИС Юрий Моисеевич,доктор технических наук, профессор,ГНЦ ФГУП «ЦИАМ имени П.И.

Баранова», руководитель отдела;ФАЛАЛЕЕВ Сергей Викторинович,доктор технических наук, профессор,ФГАОУ ВО «СГАУ имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», заведующий кафедрой.Ведущая организация:Опытно-конструкторское бюро имени А. Люльки (филиал ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»).Защита состоится 14 марта 2016 г.

в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национального исследовательского университета), по адресу:125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета)(www.mai.ru/events/defence).Автореферат разослан 01 декабря 2015 г.Учёный секретарь диссертационного советадоктор технических наук, профессорЗуев Ю.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.

Современное развитие турбомашиностроения тесносвязано с увеличением скоростей вращения валов и уровней давления рабочих сред, с экстремальными температурами, с уменьшением зазоров междувращающимися и стационарными частями машины. Данные меры направлены на увеличение коэффициента полезного действия, увеличение мощности,повышение экономичности, а также на уменьшение воздействия на окружающую среду роторных машин. Проектирование новых и модернизация ужеизвестных типов уплотнительных узлов роторных машин является одной изважнейших задач для достижения указанных целей с одновременным выполнением требований по надёжности, безопасности и долговечности. В настоящее время за рубежом ведётся активное внедрение щёточных уплотнений вавиационных двигателях, в стационарных газо- и паротурбинных установках.Податливые элементы щёточных уплотнений позволяют значительно уменьшить утечки по сравнению со стандартными лабиринтными уплотнениями.

Вавиационных двигателях уплотнительные узлы напрямую влияют на осевыеразмеры двигателя, его массу и удельный расход топлива.Наряду с определением расходных характеристик уплотнений, исследование влияния уплотнительных узлов на динамику ротора становится всё более актуальной задачей для всё более широкого класса машин. Силы, возникающие в малых зазорах уплотнений, могут быть сопоставимы с силами вподшипниках и оказывать как стабилизирующее, так и возбуждающее воздействие на ротор.

Неполная или неточная информация о силах в уплотненияхможет иметь результатом повышенные вибрации и износ в процессе эксплуатации. В экстремальном случае динамическая неустойчивость уплотненийможет привести к выходу из строя агрегата.Малые зазоры, а также наличие податливых элементов, обуславливаютвысокую степень сложности проблемы исследования динамики роторов с перспективными уплотнительными узлами. К настоящему времени за рубежомпроведён довольно значительный объём исследований по уплотнениям с податливыми элементами. Однако в большинстве работ рассматриваются лишьрасходные характеристики и смежные темы без затрагивания динамических4характеристик.

Также малоизученными являются вопросы динамики многоопорных роторов с учётом совместного влияния подшипников и уплотнений.Щёточные уплотнения могут устанавливаться в контакте с ротором, что делает вопросы выбора материалов трибопары и износа податливых элементовуплотнения первостепенными вопросами при проектировании.Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в настоящее время существует острая необходимость в теоретических и экспериментальныхисследованиях перспективных уплотнительных узлов с податливыми элементами. Данная тема является актуальной как с научной, так и с практическойпозиций.

Несмотря на ранние исследования в России ряд попыток внедрения щёточных уплотнений в турбомашиностроении не увенчался успехом, чтотакже говорит о необходимости дальнейшей работы для развития и распространения данной перспективной технологии.Результаты настоящей диссертационной работы были получены в томчисле в рамках следующих научно-исследовательских программ: программыМинистерства образования Российской Федерации «Научные исследованиявысшей школы в области транспорта» (проект: 005.02.01.42, 2000 г.) и «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки итехники» (проекты: 205.02.01.001 и 205.02.01.056, 2001-2004 гг.); грант Министерства образования РФ для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов (код: А03-3.18-164, 2003-2004 гг.); научно-исследовательскиепроекты Шестой и Седьмой рамочных программ Европейского союза CESAR(код: AIP5-CT-2006-03088, 2006-2010 гг.) и ESPOSA (код: ACP1-GA-2011284859, 2011-2016 гг.); проекты DT7 (2005-2008 гг.) и BY09 DT (20092012 гг.) в рамках научно-исследовательской программы «Kraftwerke des 21.Jahrhunderts», ФРГ; грант 14.В37.21.1981 мероприятия 1.5 ФЦП «Научныеи научно-педагогические кадры инновационной России» при поддержке Минобрнауки РФ (2012-2013 гг.); проект Cooreflex-Turbo 3.2.6 в рамках научноисследовательской программы AG Turbo, ФРГ (2014-2018 гг.).Объектом исследования являются узлы с щёточными уплотнениями дляроторных систем турбомашин.Предметом исследования являются расходные и динамические характеристики узлов с щёточными уплотнениями.5Цель и задачи исследования.

Цель работы состоит в развитии научнотехнического направления, связанного с технологией щёточных уплотнений;заключается в создании научных основ и методологии для расчёта узлов сщёточными уплотнениями, а также динамики многоопорных роторов с учётомвлияния уплотнений, в получении новых теоретических и экспериментальныхрезультатов, в создании подходов к проектированию щёточных уплотненийи в обеспечении эффективности и надежности функционирования роторныхсистем с щёточными уплотнениями.Для достижения поставленной цели решены нижеследующие задачи.1) Анализ современных направлений развития уплотнительной техники,конструкций уплотнительный узлов, теоретических моделей и методовисследования.2) Анализ накопленного опыта использования щёточных уплотнений вавиационных двигателях.3) Разработка математических моделей для расчёта расходных и динамических характеристик узлов с щёточными уплотнениями на основе методов вычислительной гидродинамики.4) Разработка теоретических инструментов для анализа щёточных уплотнений и динамической системы «ротор – уплотнения».5) Изучение закономерностей работы узлов с щёточными уплотнениямисовременных турбомашин с использованием теоретических и экспериментальных методов.6) Проверка адекватности разработанных теоретических моделей и достоверности полученных результатов с использованием экспериментальныхданных.7) Разработка упрощённых инженерных методик для расчёта щёточныхуплотнений.8) Разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации щёточныхуплотнений, в том числе применительно к авиационным двигателям.6Научная новизна работы формулируется следующими положениями.1) Разработана классификация уплотнительных узлов с податливыми элементами для использования в турбомашиностроении.2) Разработан комплекс математических моделей различной степени сложности для расчёта узлов с щёточными уплотнениями с использованиемметодов вычислительной гидродинамики.3) Предложена модификация модели пористой среды для описания набораволокон в щёточном пакете.4) Сформированы теоретические основы расчёта динамических характеристик уплотнений.5) Получены новые закономерности для расходных характеристик и динамических коэффициентов жёсткости и демпфирования узлов с щёточными уплотнениями.6) Выявлены закономерности по влиянию узлов с щёточными уплотнениями на динамику ротора.7) Разработан инженерный подход для оценки расходных характеристикщёточных уплотнений.8) Выработаны рекомендации по проектированию узлов с щёточнымиуплотнениями и их применению в авиационных двигателях.Теоретическая и практическая значимость.

Разработанные в диссертации математические модели и методологии расчёта позволяют проводить какповерочные, так и проектировочные расчёты системы «ротор — уплотнения».Результаты проведённых исследований, а также упрощённые методики могут быть использованы при внедрении щёточных уплотнений в конструкцияхавиационных двигателей, а также других типах турбомашин. Изложенные теоретические модели и методики выполнения расчётов могут применяться дляисследования других типов уплотнений с податливыми элементами.Результаты работы внедрены и используются при проектированииуплотнительных узлов с щёточными уплотнениями в ОАО «Климов», ГП«ЗМКБ «Прогресс» имени академика А.Г. Ивченко», Alstom Power.7Методология и методы исследования.

Содержание работы в целом опирается на научные труды отечественных и зарубежных ученых в областиуплотнительной техники, трибологии, динамики роторов, авиадвигателестроении, а также вычислительной механики и гидродинамики.Аэродинамический расчёт узлов с щёточными уплотнениями основанна численном решении полной системы осреднённых уравнений Навье-Стоксаметодом конечных объёмов.

Моделирование потока в каналах уплотнений проводилось с использованием коммерческих пакетов общего назначения ANSYSCFX, ANSYS Fluent, ANSYS ICEM CFD, а также некоммерческого пакета с открытым кодом OpenFOAM. Щёточный пакет моделируется как с использованием обобщённой модели пористости Дарси, так и с учётом дискретной структуры набора волокон. Процесс получения результатов следует общей методологии выполнения расчётов с выполнением верификации и валидизации.Расчёт динамики роторов, а также структурные расчёты выполнены вкоммерческом пакете ANSYS Mechanical с использованием балочных и трёхмерных конечно-элементных моделей.

Балочная модель многоопорной роторной системы также построена в виде собственной программы, реализованнойв системе научных и инженерных расчётов MATLAB. Для прямого численногоинтегрирования уравнений движения ротора при выполнении динамическогоанализа системы в качестве основного используется метод Ньюмарка.Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах с использованием информационно-измерительного оборудования фирмNational Instruments, Pressure Systems, Brüel & Kjær, Rheonik и др. Управление экспериментальными стендами, выполнение экспериментов, а также сбори первичная обработка экспериментальных данных выполнялись с использованием программного обеспечения LabVIEW, а также с применением разработанной методики, нацеленной на исключение возможных ошибок.На защиту выносятся нижеследующие результаты и положения.1) Математические модели и алгоритмы для расчёта узлов с щёточнымиуплотнениями, позволяющие получать адекватные результаты по расходным и динамическим характеристикам.2) Модификация модели пористой среды щёточного уплотнения.83) Программа для расчёта динамики многоопорной системы «ротор –уплотнения» на основе балочной модели.4) Результаты исследований расходных и динамических характеристик узлов с щёточными уплотнениями.5) Инженерная методика оценки расхода через щёточное уплотнение.Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностьюпостановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированныханалитических и численных методов поиска решения, а также подтверждается всесторонним анализом используемых моделей, качественным и количественным согласованием теоретических результатов с экспериментальнымиданными, полученными в том числе другими исследователями, и внедрениемрезультатов диссертации на ряде предприятий.Апробация работы.