Автореферат (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 3

Две стандартные конструктивные схемы щёточных уплотнений показаны на рис. 3.Диапазоны геометрических и рабочих параметров пакетов щёточных уплотнений приведены в табл. 1.Преимуществами щёточных уплотнений над лабиринтными являются:значительно более высокая герметичность, эффект закрытия зазора, меньшиеразмеры в осевом направлении, способность воспринимать колебания валапри малых зазорах, возможное всплытие щёточного пакета.К недостаткам щёточных уплотнений можно отнести следующее: относительно узкий диапазон рабочих параметров, эффект гистерезиса и повышениежёсткости пакета, осевая деформация волокон и открытие зазора, возможность неустойчивой работы и повышенного износа, увеличенные размеры врадиальном направлении, сложность конструкции и повышенная стоимость.13УплотненияЩелевыеЛабиринтныеПодатливыеЦилиндрическиеПростой лабиринтЩёточныеКонфузор.

/ПолныйПальчиковые /диффузорныеСтупенчатыйлепестковыеПрофилированныеКонфузор. /Плавающие кольцадиффузорныйЛистовыеПлёночныеДемпферныеУплотнения сабразивнымиСотовые, лунковыепокрытиямиС карманамиРис. 2. Классификация бесконтактных и податливых уплотненийОбоймаЗонавысокогодавленияЩеткаОбоймаЗонавысокогодавленияЩёткаВала) Механическое креплениеВалб) Сварное соединениеРис. 3.

Типовые схемы щёточных уплотненийТаблица 1. Геометрические и рабочие параметры щёточных уплотненийМеталлическаяпроволока (Haynes 25)Синтетическоеволокно (Кевлар)Диаметр проволоки [мкм]Угол наклона [◦ ]50 – 20020 – 6012 – 15010 – 60Номинальный радиальный зазорПлотность упаковки [шт/мм окр.]Диаметр уплотнения [мм]положительный, нулевой, внахлёст50 – 200до 700010 – 300020 – 600Макс. перепад давления [МПа]Макс. линейная скорость вала [м/с]Макс. температура [◦ C]3.05008152.015025014Конструктивными параметрами щёточных уплотнений являются: методизготовления щёточного пакета, диаметр микропроволоки и материал, плотность упаковки волокон и осевая толщина пакета, длина и угол наклона волокон в пакете, номинальный радиальный зазор, геометрия и зазоры защитногои упорного колец, параметры обработки контактирующих поверхностей.К настоящему времени известен ряд примеров внедрения щёточныхуплотнений за рубежом в двигателях как гражданской, так и военной авиации.

Щёточные уплотнения применялись в качестве межкаскадных уплотнений в компрессорах и турбинах, как надбандажные уплотнения компрессорови турбин низкого давления, в разгрузочных полостях, в системах внутреннеговоздухоснабжения, в камерах подшипниковых узлов.Список летательных аппаратов (ЛА),в которых используются двигатели с щё- Упорное кольцоточными уплотнениями, приведён в табл. 2.Защитное кольцоB-1Двигатели серии PW1000G также предпо-Зонавысокогодавлениялагаются к использованию на ЛА: AirbusA320neo, Embraer E-Jets Gen2, Irkut MS-21,B-2Mitsubish Regional Jet MRJ.В главе приводится описание уплотнительных узлов, которые изучались теоре-B-3тически и экспериментально.

Представленылабиринтные, щёточно-лабиринтные и щёточные уплотнения. Наглядные схемы ЩУприведены на рис. 4. Параметры щёточныхB-4Щёточный пакетпакетов сведены в табл. 3. Щёточное уплотРис. 4. Схемы рассматриваемыхнение B-5 предназначено для тестированиящёточных уплотненийна экспериментальном стенде МАИ, разработанном и изготовленном в рамках данной работы.Лабиринтное уплотнение SSS используется для оценки характеристикузлов с щёточными уплотнениями. Схемы щёточно-лабиринтных уплотненийпоказаны на рис. 5. Узел состоит из одного ЩУ, установленного либо за гребешками (конфигурация SSB), либо впереди гребешков (конфигурация BSS).Также рассматривается узел BBB, состоящий из трёх идентичных ЩУ.15Таблица 2. Летальные аппараты, использующие двигатели с ЩУЛетательный аппаратДвигательФирма-изготовительAirbus A318Airbus A330Airbus A400MBell Boeing V-22 OspreyBoeing 777Bombardier CSeriesCessna Citation XEurofighter TyphoonPanavia TornadoSaab 2000PW6000PW4168TP400-D6AE-1107C-Liberty (T406)GE90 / PW4084PW1500GAE-3007Eurojet EJ200RB199AE-2100Pratt & WhitneyPratt & WhitneyEuroprop InternationalAllison Engine CompanyGeneral Electric / Pratt & WhitneyPratt & WhitneyAllison Engine CompanyEuroJet Turbo GmbHRolls-RoyceAllison Engine CompanyТаблица 3.

Параметры рассматриваемых щёточных пакетовB-1B-2AB-2BB-2CB-3B-4B-5Диаметр проволоки [мкм]Длина проволоки [мм]Плотность пакета [шт/мм]Угол наклона волокон [◦ ]Ном. толщина пакета [мм]Ном. рад. зазор [мм]Рад. зазор кольца [мм]Диаметр вала [мм]7015200452.00.311.08180.057010200451.980.211.42179.987015200451.880.211.42179.981501550451.880.211.42179.98167.41547.64452.00.01.2179.861501550452.00.00.8179.867112.596.22500.90.02.188.0Мин. толщина пакета [мм]1.211.211.211.41.661.40.66УплотнениеЗонавысокогодавления012УплотнениеЗонавысокогодавления3012Вала) Конфигурация SSB3Валб) Конфигурация BSSРис.

5. Щёточно-лабиринтные уплотнения с пакетом B-116Глава 3. Моделирование щёточных уплотненийДросселирование среды в бесконтактных уплотнениях осуществляетсяза счёт местных потерь на трение и достигается размещением препятствий вгазовом канале. Это приводит к сложной структуре течения, характеризуемойвысокими градиентами скоростей, давления и плотности потока. Поэтому построение точных математических моделей уплотнений и работа с ними нередко связаны со значительными временными и вычислительными затратами.Использование методов вычислительной гидродинамики (ВГД) является наиболее общим подходом для построения аэродинамических моделей.

Основу математической модели составляет система уравнений движения вязкойсжимаемой среды (осреднённые уравнения Навье-Стокса). В качестве базовоймодели турбулентности используется двухпараметрическая модель турбулентной вязкости SST, являющаяся комбинацией моделей (k − ε) и (k − ω).Моделирование щёточных уплотнений усложняется наличием большого числа податливых волокон.

Схема идеализированного щёточного пакета,состоящего из набора волокон круглого сечения, приведена на рис. 6.В приближении щёточный пакет может быть рассмотрен как непрерывная пористая среда, что значительно упрощает построение аэродинамическоймодели щёточного уплотнения. Основным параметром пористой среды является пористость ε, определяемая из геометрических соображений как:πd2 Nε=1−,4bb cos ϕ(1)где bb – толщина пакета, d и ϕ – диаметр и угол наклона волокон, N – плотность упаковки волокон (штук на единицу длины в окружном направлении).Пакет щёточного уплотнения характеризуется явной анизотропией. Сопротивление к потоку газа значительно меньше в направлении s, параллельном волокнам, по сравнению с направлениями z и n, которые перпендикулярны волокнам.

Используя обобщённую модель Дарси, уравнение пористойсреды в терминах коэффициентов сопротивления ai и bi записывается как:−∂p= ai µvi + bi ρ|vi |vi ,∂xii = x, y, z.где p – давление, ρ – плотность, v – скорость потока газа.(2)17as и bsaz и bzan и bnd90 – φУпорноекольцоВалrНаправлениепотокаzbbφРис.

6. Пакет щёточного уплотнения как пористая средаВ литературе были предложены различные выражения для коэффициентов a и b. В работе предлагаются к использованию следующие выражения:an = 72τ C,1bn = τ2513+ 4− 22 β2β6as = τ C,5(1 − ε)2C=,ε3 d2bs = 0,D=D,(3)1−ε.ε3 dгде τ – параметр извилистости, β – коэффициент относительной заполненности, определяемые как:s2√1√11√τ=1+1−ε+β 1−ε−1 +221−εβ=1,4(4)1√.1− 1−εВыражения для коэффициентов сопротивления в ур. (3) для перпендикулярных направлений z и n взяты из доступной модели пористой средыобщего назначения. Адаптация модели пористой среды к щёточным уплотнениям была произведена по аналогии с другими известными подходами.Калибровка модели пористой среды является необходимой из-за полуэмпирических выражений для коэффициентов сопротивления и непостоянных18параметров щёточного пакета, которые могут изменяться в зависимости отрабочих условий.

В главе обсуждаются различные подходы к калибровке.Расчётная область может представлять собой трёхмерный сегмент узлаили полноохватное уплотнение. Модель трёхмерного сегмента используются впервую очередь для определения расхода (см. рис. 7). Полноохватая модельприменяется для изучения таких характеристик, как влияние эксцентриситетавала и динамические коэффициенты уплотнения.Изменения в размерах щёточного пакета (свободный радиальный зазори толщина пакета) в зависимости от рабочего режима учитываются в теоретических моделях двумя способами. Прямой метод учёта непостоянных размеров пористой среды подразумевает регенерацию расчётной сетки при каждом изменении рабочих параметров.