Автореферат (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 6

Модель пористой среды выдает очень малыезначения скорости для контактного ЩУ B-3. Согласование по скорости значительно лучше для ЩУ B-1 из-за наличия остаточного радиального зазора.Сравнительный анализ также показал, что дискретная модель приводит к более точным значениям расхода и локальных характеристик теченияи может быть использована для проведения специальных исследований.

Однако вычислительные затраты дискретной модели значительного превышаютзатраты на проведение расчётов с использованием пористой модели.Распределение давления, полученное с помощью дискретной модели щёточного уплотнения, показано на рис. 25.Рис. 23. Сравнение результатов для направления вдоль волокон35Рис. 24. Сравнение результатов для осевого направленияРис.

25. Результаты дискретной модели щёточного уплотненияГлава 7. Практические вопросы по применению щёточных уплотнений в роторных системах авиационных двигателейГлава посвящена обобщению результатов по характеристикам уплотнений. Описывается упрощённая методика оценки расхода через щёточноеуплотнение. Приводятся результаты по применению разработанной методикидля различных щёточных уплотнений, взятых из доступных источников.

Анализируются вопросы использования щёточных уплотнений в узлах авиационных двигателей. Формулируются рекомендации по применению щёточныхуплотнений.Целью обобщения результатов является в компактной форме сопоста-36вить характеристики различных уплотнений для качественного сравнения.Представляется сложным выбор одного параметра, по которому проводитьсравнение характеристик. Расходная характеристика приведена в виде функции эффективного зазора в зависимости от давления.

Динамические коэффициенты приведены как функции произведения величины перепада давлениячерез уплотнение на величину начальной закрутки потока газа:I∆p = (p0 − p1 ) cu 0 .(10)На рис. 26 показаны обобщённые результаты по эффективному зазорудля исследованных уплотнений в зависимости от отношения давлений.Щёточные уплотнения, изготовленные из толстой проволоки, демонстрируют уменьшенный расход по сравнению с щёточными уплотнениями,изготовленными из тонкой проволоки, при прочих равных параметрах. Расположение щёточного пакета в узле (впереди или позади гребешков) незначительно влияет на утечки. Использование трёх одинаковых щёточных пакетовв конфигурации BBB-1 незначительно уменьшает расход по сравнению с единичным щёточным пакетом в конфигурациях SSB-1 и BSS-1.Отсутствие защитного кольца перед пакетом в щёточных уплотненияхB-2B и B-2C заметно увеличивает расход по сравнению с ЩУ B-1.

Второещёточное уплотнение с нулевым номинальным зазором (B-4) демонстрирует заметное увеличение расхода по сравнению с щёточным уплотнением B-3вследствие отличий в конструкции.На рис. 27 представлены значения глобальных динамических коэффициентов жёсткости уплотнений в зависимости от параметра I∆p .Прямой коэффициент жёсткости отрицателен для лабиринтных уплотнений и щёточно-лабиринтного уплотнения BSS-1. Установка щёточного уплотнения позади двух гребешков приводит к положительному коэффициенту Kxx .Конфигурации с контактными щёточными уплотнениями демонстрируют высокие значения глобального прямого коэффициента жёсткости. Это связано с контактным взаимодействием между волокнами и поверхностью вала.Результаты по глобальным перекрёстным коэффициентам жёсткости демонстрируют, что определяющую роль в формировании аэродинамической перекрёстной жёсткости играет величина радиального зазора.

Конфигурации с37Рис. 26. Обобщённые результаты по расходу исследованных уплотненийРис. 27. Обобщённые результаты по глобальным коэффициентам жёсткостищёточными уплотнениями, которые имеют остаточный зазор, показывают, каки лабиринтные уплотнения, высокие значения глобальной перекрёстной жёсткости. Глобальные перекрёстные коэффициенты жёсткости в конфигурацияхс контактными щёточными уплотнениями малы и принимают отрицательныезначения при увеличении параметра I∆p .На рис. 28 показаны значения глобальных динамических коэффициентовдемпфирования исследованных уплотнений в зависимости от параметра I∆p .Лабиринтные и щёточно-лабиринтные уплотнения с положительным зазором демонстрируют в целом линейное увеличение прямого коэффициентадемпфирования при увеличении параметра I∆p .

Конфигурации с контактны-38Рис. 28. Обобщённые результаты по коэффициентам демпфированиями щёточными уплотнениями показывают высокие значения коэффициентаCxx с заметной нелинейной характеристикой. Максимальные значения имеетконфигурация SSB-3 S с сегментированным щёточным уплотнением. Перекрёстные коэффициенты демпфирования принимают во всех исследованныхконфигурациях относительно малые значения.На основе обобщённых результатов разработана методика оценки расхода через типичное щёточное уплотнение. Базовыми конфигурациями приэтом являются щёточные уплотнения B-1, B-2, B-3 и B-4 (см.

табл. 3).Экспериментальные значения эффективного зазора в зависимости отперепада давления аппроксимируются с помощью степенной функции:hef f = f (p) = m1 pm2 + m3 ,(11)Экспериментальные значения безразмерного свободного радиальногозазора в зависимости от перепада давления аппроксимируются с помощьюэкспоненциальной функции:h = f (p) = h1 exp h2 p + h3 exp h4 p,(12)Безразмерный зазор представляет собой отношение фактического радиального зазора в щёточном пакете к радиальному зазору упорного кольца.Коэффициенты аппроксимационных зависимостей для эффективногозазора mi и безрамерного остаточного радиального зазора hi сведены длябазовых щёточных уплотнений в табл. 5.39Таблица 5.

Коэффициенты регрессии экспериментальных зависимостейB-1B-2AB-2BЭффективный зазор [мкм]m1 103.5−7919.0−0.03643m2 −0.1835−27.912.149m3 −2.883111.0133.7Безразмерный радиальный зазор [-]h1 0.32120.56020.06776h2 −1.804−2.663−10.03h3 0.043370.11980.03287h4 −0.08823−0.0786−0.4287B-2C-0B-2C-1−508.1−15.8881.01.011−2.9660.06828−0.04407B-3−36.94−1.16752.72B-4−3290.0−8.54978.783.299−4.5260.09412−0.06252Зависимости дополнены расчётными функциями изменения толщиныщёточного пакета в осевом направлении при возникновении перепада давления (см.

рис. 29). Значения толщины пакета определялись путём калибровкимодели пористой среды для каждого значения давления. Безразмерная толщина представляют собой отношение фактической толщины пакета к теоретически минимальному значению (см. табл. 3).Приведённые функции основных характеристик базовых щёточныхуплотнений позволяют сформулировать упрощённый подход к оценке значения расхода через типичное щёточное уплотнение, состоящий из трёх шагов.Вначале на основе параметров уплотнения, для которого необходимо провести оценку расхода, выбирается наиболее близкий тип базового щёточногоуплотнения. При этом сравниваются в первую очередь такие параметры, какноминальный радиальный зазор, диаметр проволоки, радиальный зазор упорного кольца, геометрия упорных и защитных колец, плотность упаковки.После выбора типа базового щёточного уплотнения с помощью аппроксимационных зависимостей определяется значение эффективного зазора длязаданного перепада давления.

Фактическое значение расхода через щёточноеуплотнение, для которого выполняется оценка, определяется как:πp0 Dr Q ef f√h .(13)T0Использование предложенного упрощённого инженерного подхода дляṁ =оценки расхода проиллюстрировано для различных щёточных уплотнений,взятых из доступных источников, параметры которых значительно отличаются от параметров базовых ЩУ. Оценка расхода для каждого анализируемогощёточного уплотнения проведена как минимум для двух различных значений40Рис. 29.

Расчётные зависимости сжатия щёточного пакетадавления (см. рис. 30). Можно отметить, что оценочные значения демонстрируют приемлемое согласование с экспериментальными данными для различных ЩУ в широком диапазоне расходных характеристик.Оценки расхода могут быть уточнены с помощью полностью автоматизированного расчёта в OpenFOAM, используя при необходимости зависимостипо зазору и толщине, полученные для базовых щёточных уплотнений.Предложенные упрощённые подходы также применены к оригинальнымщёточным уплотнениям, изготовленным на ГП «Ивченко-Прогресс».Глава завершается анализом конструкций щёточных уплотнений, а также рассмотрением вопросов и формированием рекомендаций по проектированию узлов с щёточными уплотнениями. Приведённая информация можетбыть непосредственно использована в процессе внедрения данной перспективной технологии в современных авиационных двигателях.В главе приведено описание нового экспериментального стенда, разработанного на кафедре 203 МАИ, для тестирования щёточных уплотнений.

Стендвыполнен по симметричной двухпоточной схеме. Сжатый воздух подаётся вовходную камеру, расположенную в середине корпуса с тестируемыми уплотнениями. Короткий жёсткий вал опирается на подшипники качения. Основными варьируемыми рабочими параметрами стенда являются давление подачивоздуха и скорость вращения вала.