Автореферат (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 7

Имеется возможность выставлять статический эксцентриситет вала по отношению к статору. Параметры щёточного41Рис. 30. Результаты оценки расхода для различных щёточных уплотненийуплотнения B-5 для стенда сведены в табл. 3. Предусмотрено тестированиекак одиночного щёточного уплотнения B-5, так и двухкаскадного узла, состоящего из двух щёточных уплотнений B-5.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполненного диссертационного исследования решён рядкрупных научных задач по развитию и внедрению технологии щёточных уплотнений в авиационных двигателях. Методологической основой при этом являются разработанные теоретические модели, теоретические и экспериментальные методики, а также инструментальные средства для исследования и проектирования узлов с щёточными уплотнениями. Щёточные уплотнения представляют собой всё ещё новое техническое решение, внедрение которого внесёт значительный вклад в развитие научно-технического потенциала.Уплотнения с податливыми элементами являются перспективной технологией, позволяющей значительно уменьшить паразитные утечки в турбомашинах.

Щёточные уплотнения являются одним из примеров уплотненийс податливыми элементами, которые уже нашли своё частичное применениеза рубежом, но в своём развитии и распространении значительно уступаютлабиринтным уплотнениям.42Разработанные аэродинамические модели щёточных уплотнений основаны на использовании методов вычислительной гидродинамики. При этомбольшое число волокон в пакете щёточного уплотнения представляется в базовых моделях пористой средой.

Для специальных исследований используетсядискретная модель сегмента щёточного уплотнения, в которой представленыотдельные волокна. Механические модели щёточного пакета используютсядля изучения деформации волокон в процессе работы. Разработанные теоретические модели и подходы, а также полученные результаты подвергнутытщательной верификации и валидизации.Уплотнения могут оказывать заметное влияние на динамику роторнойсистемы. Щёточные уплотнения являются источниками аэродинамического имеханического возбуждения, которое может иметь как положительный, так иотрицательный эффект. Разработанные подходы к определению динамическихкоэффициентов щёточных уплотнений позволяют выполнять динамическийанализ роторных систем с учётом уплотнений.Теоретическая работа дополняется обширными экспериментальнымиисследованиями, выполненными для различных щёточных уплотнений с использованием двух экспериментальных установок.

Сравнительный анализ расчётных и экспериментальных результатов показал адекватность разработанных моделей уплотнений при определении различных характеристик.На основе приведенных в работе теоретических и экспериментальных результатов сделаны выводы по влиянию конструктивных параметров щёточныхуплотнений на расходные характеристики и динамические коэффициенты наразличных рабочих режимах. Рассмотрены вопросы использования щёточныхуплотнений совместно с лабиринтными гребешками.Податливость элементов щёточного уплотнения приводит к изменениямв значениях остаточного радиального зазора и толщины щёточного пакетапри возникновении перепада давления.

Даже малые изменения в указанныхпараметрах могут оказывать значительное влияние на силы, возникающие вуплотнении. Эксцентричное положение вала и эффект закрытия радиальногозазора в щёточном пакете делают возможным контактные взаимодействиямежду волокнами и поверхностью вала даже в случае щёточных уплотнений,имеющих положительный номинальный зазор.43Наибольшие преимущества как по расходу, так и по динамическим коэффициентам демонстрируют контактные щёточные уплотнения. Однако высокая прямая жёсткость таких уплотнений может оказывать заметный эффектна собственные частоты роторной системы. Вопросы износа выходят в этомслучае на первый план по сравнению с щёточными уплотнениями, имеющимиостаточный зазор.

Для создания благоприятных условий в контактной паредолжны быть использованы специальные покрытия, например, карбид хрома.При выборе материалов трибопары важным является обеспечение условия,при котором возможному контролируемому износу подвергаются лишь волокна пакета щёточного уплотнения.Альтернативным вариантом представляется установка щёточного уплотнения с малым положительным номинальным зазором, который будет уменьшаться на рабочих режимах за счёт эффекта опускания волокон под действием перепада давления.

Тем самым может быть достигнут компромисс междумаксимальной герметичностью и снижением износа узла. Однако в этом случае щёточные уплотнения, как и лабиринтные, могут демонстрировать относительно высокие значения перекрёстных коэффициентов жёсткости.Предложенные в работе упрощённые подходы представляют собой практические инструменты для оценки расхода щёточных уплотнений, котораяможет быть выполнена без значительных временных затрат.

Реализованныеконечно-элементные модели роторных систем также представляют собой инструменты для использования при проектировании уплотнений.Описанные математические модели и методики проведения расчётов могут быть адаптированы для исследования не только других типов уплотненийс податливыми элементами, но и перспективных упруго-демпферных (лепестковых) подшипников скольжения, которые играют определяющую роль в такназываемой концепции «безмасляного турбомашиностроения».В приложениях сведены: элементарные матрицы балочного элемента,входные файлы с роторной системой ТВД для программ MRACE и RACE, файлыдля создания геометрии уплотнительного узла SSB-1 в ICEM CFD, файлы дляавтоматизированного расчёта щёточного уплотнения в OpenFOAM.44Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:Монография:[1] Автоматизированное проектирование роторных машин / Л.

А. Савин,О. В. Соломин, Д. Е. Устинов, А. О. Пугачёв. — M.: Машиностроение1, 2006. — 360 с.Статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ или удовлетворяющих критериям для включения:[1] Segmentation effects on brush seal leakage and rotordynamic coefficients /A.

O. Pugachev, M. Gaszner, C. Georgakis, P. Cooper // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. — 2016. — Vol. 138, no. 3. — Pp. 032501–9.doi:10.1115/1.4031386.[2] Structural dynamics optimization of rotor systems for a small-size turbopropengine / A. O. Pugachev, A. V. Sheremetyev, V. V. Tykhomirov, O. I. Shpilenko // Journal of Propulsion and Power. — 2015. — Vol. 31, no.

4. —Pp. 1083–1093. doi:10.2514/1.B35399.[3] Пугачёв, А. О. Подходы к упрощённому расчёту расхода щёточных уплотнений / А. О. Пугачёв // Вестник Московского авиационного института.— 2015. — Т. 22, № 2. — С. 85–93.[4] Pugachev, A. O. Flow structure in a short chamber of a labyrinth seal with abackward-facing step / A. O. Pugachev, Y. A. Ravikovich, L. A.

Savin //Computers & Fluids. —2015. —Vol. 114. —Pp. 39 – 47.doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.compfluid.2015.02.015.[5] Расчёт подшипников скольжения с использованием вычислительной газовой динамики и метода конечных элементов / А. А. Матушкин,Ю. А. Равикович, А. О. Пугачёв и др. // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А.

Соловьева. —2014. — № 2(29). — С. 12–18.45[6] Leakage and rotordynamic coefficients of brush seals with zero cold clearanceused in an arrangement with labyrinth fins / M. Gaszner, A. O. Pugachev,C. Georgakis, P. Cooper // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power.— 2013. — Vol. 135, no. 12. — Pp. 122506–11.

doi:10.1115/1.4025236.[7] Пугачёв, А. О. Применение щёточных уплотнений в конструкциях современных турбомашин / А. О. Пугачёв, Ю. А. Равикович // Вестник Московского авиационного института. — 2013. — Т. 20, № 3. — С. 67–75.[8] Пугачёв, А. О. Подходы к моделированию щёточных уплотнений турбомашин / А. О. Пугачёв, Ю. А. Равикович // Вестник Московского авиационного института. — 2013. — Т. 20, № 4.

— С. 81–89.[9] Pugachev, A. O. Application of gradient-based optimization methods for arotor system with static stress, natural frequency, and harmonic response constraints / A. O. Pugachev // Structural and Multidisciplinary Optimization.— 2013. — Vol. 47, no. 6. — Pp. 951–962. doi:10.1007/s00158-012-0867-4.[10] Моделирование характеристик масляных и газовых подшипников скольжения методами вычислительной газовой динамики / А. О. Пугачёв,Ю. А. Равикович, Ю. И. Ермилов и др. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П.

Королёва.— 2013. — № 3 (41). — С. 211–221.[11] Пугачёв, А. О. Расчёт расходной характеристики щёточных уплотнений сиспользованием модели пористой среды / А. О. Пугачёв // Мир транспорта и технологических машин. — 2013. — № 2 (41). — С. 24–32.[12] Пугачёв, А. О.

Моделирование щёточных уплотнений для анализа их влияния на динамику роторов / А. О. Пугачёв // Мир транспорта и технологических машин. — 2013. — № 3 (42). — С. 22–30.[13] Pugachev, A. O. Prediction of rotordynamic coefficients for short labyrinthgas seals using computational fluid dynamics / A. O. Pugachev, U. Kleinhans,M. Gaszner // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. — 2012.— Vol.

134, no. 6. — Pp. 062501–10. doi:10.1115/1.4005971.46[14] Pugachev, A. O. Experimental and theoretical rotordynamic stiffness coefficients for a three-stage brush seal / A. O. Pugachev, M. Deckner // Mechanical Systems and Signal Processing. — 2012. — Vol. 31. — Pp. 143–154.doi:10.1016/j.ymssp.2012.03.015.[15] Pugachev, A. O. Calibration of porous medium models for brush seals /A.