Автореферат (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 5

Приведены дополнительные результаты по проверке адекватности конечно-элементных моделей и по сравнениюразличных формулировок (балки Бернулли-Эйлера и Тимошенко, точечнаямасса и одномерный массовый элемент).26Для экспериментальных исследований характеристик узлов с щёточными уплотнениями использовались два стенда, расположенные на кафедреэнергетических систем Мюнхенского технического университета. Принципиальные схемы стендов показаны на рис. 14.В беспрецессионном стенде короткий жёсткий ротор опирается на подшипники качения.

Компоновка стенда обеспечивает отсутствие прецессии вала. Измерения выполняются для эксцентрично расположенного вращающегося вала. Аэродинамические силы определяются путём интегрирования измеренного распределения давления газа в камерах уплотнений.В динамическом стенде длинный гибкий вал опирается на подшипники скольжения.

Во время проведения эксперимента вал может свободно прецессировать. Для идентификации динамических коэффициентов жёсткости идемпфирования уплотнений используется магнитный возбудитель.Процедура идентификации динамических коэффициентов базируется наупрощённой динамической модели уплотнения, включающей в себя четыренезависимых коэффициента жёсткости и демпфирования (ср.

с ур. (6)): Fr /e = −Kxx + Cxy Ω, F /e = Kt(7)xy − Cxx Ω.Беспрецессионный стенд оснащён оборудованием для измерения положения вала, давлений и температур в камерах, полного давления во входнойкамере, давления окружающей среды, расхода воздуха. Распределение давлеМагнитный возбудительУзел с уплотнениямиМ1Узел с уплотнениямиМ2Короткий жёсткий валОпоры каченияДлинный гибкий валОпоры скольженияРис. 14. Принципиальные схемы беспрецессионного (слева) и динамического(справа) стендов для исследования уплотнений27Трубка ПитоДатчикидавленияДатчикперемещенияЗонавысокогодавленияСтаторРоторРис. 15. Схема расположения датчиков в тестируемом уплотненииния по окружности измеряется по 10 точкам в двух камерах уплотнения (см.рис.

15). Принимая t за длину камеры, компоненты силы определяются как:Z 2π121,2Fx = Fx + Fx , Fx = −0.5Dr tp1,2 (ϕ) cos ϕ dϕ,0(8)Z2πFy =Fy1+Fy2 ,Fy1,2p1,2 (ϕ) sin ϕ dϕ.= −0.5Dr t0Допущением при этом является предположение постоянства окружногораспределения давления вдоль оси камеры. Области гребешков и щёточныхпакетов, а также входная и выходная камеры при этом также не учитываются.

Поэтому для коэффициентов жёсткости, полученных на беспрецессионномстенде, используется термин «локальные коэффициенты жёсткости».На динамическом стенде метод идентификации динамических коэффициентов жёсткости и демпфирования предусматривает выполнение двух этапов. Вначале находится граница устойчивости системы без подачи давления.Тангенциальная сила возбуждения, прикладываемая через магнитный возбудитель, выводит ротор на границу устойчивости. Второй эксперимент осуществляется под давлением, но при прочих равных параметрах. При подачедавления силы, возникающие в уплотнении, изменяют границу устойчивостисистемы и частоту прецессии ротора.

Для компенсации сдвига частоты прецессии по сравнению с экспериментом без давления прикладывается магнитная радиальная сила, которая является вторым управляющим параметром.28Снятые значения двух управляющих параметров магнитного возбудителя конвертируются в компоненты удельной силы с помощью калибровочныхкривых. Удельная сила уплотнения определяется как разница между двумяизмерениями. Магнитный возбудитель расположен с одной стороны тестируемого узла несимметрично по отношению к роторной системе, поэтому силы пересчитываются в эквивалентную нагрузку c использованием конечноэлементной модели роторной системы.Для коэффициентов жёсткости и демпфирования, идентифицированныхна динамическом стенде, используется термин «глобальные коэффициенты»,т.

к. методика определяет полные силы, возникающие в уплотнении. Измерения проводятся для прямой и обратной прецессии вала.Глава 6. Анализ характеристик уплотненийВ главе рассматриваются результаты по характеристикам различных лабиринтных и щёточных уплотнений. Приведён сравнительный анализ данныхэкспериментальных и теоретических исследований. Представлены распределения давлений, расходные характеристики, динамические коэффициенты жёсткости и демпфирования, а также другие результаты. При анализе использовались также экспериментальные данные, взятые из литературы. В частности,приведены результаты для следующих уплотнений:• ступенчатые трёхгребешковые уплотнения SSS;• ступенчатое трёхгребешковое уплотнение с гребешками на роторе;• двадцатигребешковое прямое лабиринтное уплотнение;• комбинации различных щёточных уплотнений с коротким лабиринтом(конфигурации SSB и BSS);• щёточное уплотнение с тремя пакетами BBB;• сегментированное щёточное уплотнение в конфигурации SSB.Для исследованных щёточных уплотнений приведены экспериментальные характеристики изменения остаточного зазора в зависимости от перепададавления, а также расчётные характеристики по сжатию щёточного пакета.29Рис.

16. Распределение давления и структура течения в щёточных пакетахПроведён анализ экспериментальных и расчётных распределений давления в уплотнениях. На рис. 16 показаны расчётные распределения давления иструктура потока воздуха в зоне щёточного пакета для уплотнений B-1, B-2B,B-2C и B-3. Расчёты проведены с использованием модели пористой среды.Сравнение распределения давления в камерах щёточно-лабиринтныхуплотнений SSB-3 и SSB-4 приведено на рис. 17. Падение давления происходит практически только в щёточном пакете, поэтому уровни давления вдвух камерах перед щёткой отличаются незначительно.

Теоретические значения демонстрируют хорошее согласование с экспериментальными данными.При установке щёточного уплотнения впереди лабиринтных гребешков(конфигурация BSS) щёточное уплотнение может работать в качестве гасителя закрутки потока входного газа. В главе приведён анализ данной функции.Расчёты расхода выполнены с использованием результатов калибровкимодели пористой среды, проведённой для одного перепада давления путём30Рис. 17. Распределение давлений в камерах уплотнений SSB-3 и SSB-4варьирования толщины щёточного пакета. Значения толщины щётки и радиального зазора в модели не менялись при определении расхода для другихперепадов давления.

При расчёте динамических коэффициентов использовалась более сложная процедура калибровки.Расходная характеристика представлена в виде функции эффективногозазора hef f , которая рассчитывается из значения расхода ṁ как:√ṁT0hef f =,πp0 Dr Q(9а)где Q определяется в зависимости от отношения давлений на входе и выходе:v" 2 γ+1 #uγ γ−1uγγ2γpppγ+1110Q=t−, если≤(9б)Rs (γ − 1)p0p0p12иsQ=γRs2γ+1γ+1 γ−1,в противном случае,(9в)где γ – показатель адиабаты (1.4 для воздуха при T = 20◦ К), Rs – удельнаягазовая постоянная (287.04 Дж/(кг·К) для воздуха).На рис.

18 представлены расчётные и экспериментальные расходные характеристики щёточно-лабиринтных уплотнений SSB. Уплотнение с щёточным пакетом B-3, волокна которого выполнены из толстой проволоки и который установлен с нулевым зазором, имеет наименьший расход. Наибольший расход демонстрирует уплотнение SSB-2B c щёточным пакетом из тон-31Рис. 18. Расход щёточно-лабиринтных уплотнений SSBРис. 19. Сравнения расхода в конфигурациях BSS-2 и SSB-2кой проволоки без защитного кольца.

Сравнение расходных характеристик длящёточно-лабиринтных уплотнений SSB-2 и BSS-2 приведено на рис. 19.Динамические коэффициенты жёсткости и демпфирования щёточнолабиринтного уплотнения SSB-1 показаны на рис. 20. Данные по локальнымкоэффициентам жёсткости приведены как для отдельных камер (обозначениеK1 и K2), так и в качестве суммы по двум камерам. Можно отметить, чторасчётные значения согласуются с экспериментальными данными.Для непосредственной оценки влияния уплотнений на динамику роторарассмотрена балочная модель простой роторной системы. Расчётная траектория движения вала, полученная с помощью пакета MRACE, показана на рис. 21.32Рис. 20.

Динамические коэффициенты конфигурации SSB-1Видно, что лабиринтное уплотнение является неустойчивым. Щёточнолабиринтное уплотнение SSB незначительно увеличивает амплитуду колебаний,но система остаётся устойчивой.На динамическое поведение узлов сконтактными ЩУ (SSB-3 и SSB-4) преобладающий эффект оказывают механические характеристики щёточного пакета.Для оценки механических составляющихРис. 21. Траектории движения валажёсткости и демпфирования используют-с учётом влияния уплотненийся упрощённые подходы, использование33а) Влияние отношения давленийб) Влияние относительного эксцентриситетаРис. 22. Экспериментальный расход уплотнений SSS-3, SSB-3, SSB-3 Sкоторых продемонстрировало адекватные результаты при относительно малых перепадах давления.Отдельно рассмотрено влияние сегментации щёточного пакета на характеристики уплотнения.

Сегментация выполнена в радиальном направлении,что привело к выпаданию волокон. Сравнение экспериментальных значенийрасходных характеристик для щёточного-лабиринтного уплотнения с сегментированным щёточным пакетом (SSB-3 S) показано на рис. 22.На рис. 22а приведён эффективный зазор при концентричном положении вала. Понижение расхода в уплотнении SSB-3 составляет более 80% посравнению с лабиринтным уплотнением SSS-3. Сегментирование щёточногопакета B-3 приводит к увеличению расхода в два раза. Тем не менее расходконфигурации SSB-3 S остаётся намного ниже расхода через лабиринт.На рис.

22б приведён эффективный зазор в зависимости от относительного эксцентриситета вала. Щёточно-лабиринтные уплотнения SSB-3 и SSB3 S демонстрируют явную зависимость расхода от положения вала в зазореуплотнения, что говорит об увеличении открытого сечения между кончикамиволокон и поверхностью вала при увеличении эксцентриситета вала.В щёточном пакете также может возникать несимметричная структура:функции толщины пакета и свободного радиального зазора могут зависеть отокружной координаты. Данные изменения могут быть учтены в используемоймодели пористой среды с помощью соответствующих коэффициентов.34На рис.

23 и рис. 24 приведено сравнение результатов, полученных спомощью пористой и дискретной моделей щёточного пакета (см. рис. 8).На рис. 23 приведены результаты, полученные вдоль волокон. Положение s = 0 соответствует свободным окончаниям волокон. Два теоретическихподхода показывают качественно схожие результаты. Однако модель пористойсреды выдаёт более низкие пиковые значения скорости и градиента давленияпо абсолютной величине, чем модель с дискретной структурой.На рис. 23 приведены результаты, полученные вдоль оси вала. Зона высокого давления находится справа. Также между двумя подходами наблюдается качественное согласование.