Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей)

ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»На правах рукописиПугачёв Александр ОлеговичЩЁТОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ВРОТОРНЫХ СИСТЕМАХАВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратовДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультант:доктор технических наук, профессорРавикович Юрий АлександровичМосква – 2015ОглавлениеОбщая характеристика работы . .

. . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1. Уплотнительные узлы роторов турбомашин какобъект исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.1. Роль уплотнений в роторных машинах . . . . . . . . . . .1.2. Бесконтактные уплотнения . . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.1. Лабиринтные уплотнения . . . . . . . . . . . . .

.1.2.2. Сотовые, лунковые и другие типы демпферныхщелевых уплотнений . . . . . . . . . . . . . . . .1.2.3. Динамика бесконтактных уплотнений . . . . . .1.3. Щёточные уплотнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1.3.1. Обзор технологии щёточных уплотнений . . . . .1.3.2. Механические и тепловые характеристики щёточных уплотнений . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .1.3.3. Неметаллические щёточные уплотнения . . . . .1.3.4. Динамика щёточных уплотнений . . . . . . . . .1.3.5. Модификации щёточных уплотнений . . . . . . .1.4. Другие типы уплотнений с податливыми элементами . .1.5. Дополнительные технологии контроля за утечками . . .1.6. Теоретические методы исследования уплотнений . . . . .1.6.1. Обзор теоретических подходов . . . .

. . . . . . .1.6.2. Моделирование щёточных уплотнений . . . . . .1.7. Структура исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8161621212224262631343637394346464954Глава 2. Конструкции и принципы функционирования уплотнений турбомашин . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .562.1. Классификация уплотнений турбомашин . . . . . . . . .562.2. Щелевые и демпферные уплотнения . . . . . . . . . . . .622.3. Лабиринтные уплотнения . . . . . . . . . . . . . . . . . .692.3.1. Конструкции лабиринтных уплотнений . . . . . .692.3.2. Основы течения газа в лабиринте . . . . . . . . .7322.4.Щёточные уплотнения . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .2.4.1. Конструкции щёточных уплотнений . . . . . . .2.4.2. Параметры щёточных уплотнений . . . . . . . . .Пальчиковые и листовые уплотнения . . . . . . . . . . .Уплотнительные узлы в авиационных двигателях . . . .2.6.1.

Типы уплотнений в авиационных двигателях . .2.6.2. Щёточные уплотнения в авиационных двигателяхКонфигурации исследуемых уплотнений . . . . . . . . .2.7.1. Короткие лабиринтные уплотнения . . . . . . . .2.7.2. Щёточные уплотнения . . . . . . . . . . . . . . .2.7.3. Щёточно-лабиринтные уплотнения . . . . . . . .2.7.4. Узел с тремя щёточными уплотнениями . . .

. .Выводы по главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75758288929295105105106108109110Глава 3. Моделирование щёточных уплотнений . . . . . .3.1. Подходы к расчёту уплотнений . . . . . . . . . . . . . . .3.1.1. Требования к моделям уплотнений . . .

. . . . .3.1.2. Оценка расхода через уплотнение . . . . . . . . .3.2. Моделирование течения в каналах уплотнений методамивычислительной гидродинамики . . . . . . . . . . . . . .3.2.1. Система уравнений движения сжимаемой среды3.2.2. Моделирование турбулентности . . . . . . . . .

.3.2.3. Граничные и начальные условия . . . . . . . . . .3.2.4. Модель лабиринтного уплотнения . . . . . . . . .3.3. Модель пористой среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3.1. Обобщённое уравнение Дарси . . . . . . . . . . .3.3.2. Выражения для коэффициентов сопротивления .3.3.3. Калибровка модели пористой среды . . . . . .

. .3.4. Модели щёточного уплотнения . . . . . . . . . . . . . . .3.4.1. Модель сегмента щёточного уплотнения . . . . .3.4.2. Полноохватная модель щёточного уплотнения . .3.4.3. Модель многоступенчатого щёточного уплотнения3.4.4. Модель дискретной структуры щёточного пакета3.5. Механическая модель щёточного уплотнения . . . . . . .1121121121152.5.2.6.2.7.2.8.31181181201251271291291311341351351401431451483.6.Выводы по главе 3 .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153Глава 4. Анализ динамической системы «ротор – уплотнения» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.1. Задачи динамики роторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.2. Конечно-элементные модели роторной системы . . . . . 1584.2.1. Подходы к моделированию динамики роторов . . 1584.2.2. Балочная модель роторной системы . .

. . . . . . 1624.2.3. Трёхмерная модель роторной системы . . . . . . 1674.2.4. Анализ динамики роторной системы . . . . . . . 1684.3. Результаты анализа динамики роторной системы . . . . 1724.3.1. Роторная система турбовинтового двигателя . . . 1724.3.2. Балочная модель . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . 1764.3.3. Трёхмерная модель . . . . . . . . . . . . . . . . . 1804.3.4. Результаты моделирования переходных процессов 1834.4. Влияние уплотнительных узлов на динамику роторов . . 1914.4.1. Динамическая модель бесконтактного уплотнения 1914.4.2. Методы расчёта динамических коэффициентов . 1964.5. Выводы по главе 4 . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 202Глава 5. Теоретические и экспериментальные методы исследования уплотнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2045.1. Методы вычислительной гидродинамики . . . . . . . . . 2045.1.1. Проведение расчётов методами ВГД . . . . . . . 2045.1.2. Сеточные методы . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 2085.1.3. Генерация расчётной сетки . . . . . . . . . . . . . 2105.1.4. Проверка адекватности модели и проверка достоверности результатов . . . . . . . . . . . . . . . . 2165.2. Описание моделей уплотнений . . . . . . . . . .

. . . . . 2195.2.1. Модель уплотнения в пакете CFX . . . . . . . . . . 2195.2.2. Модель уплотнения в пакете FLUENT . . . . . . . . 2245.2.3. Модель уплотнения в пакете OpenFOAM . . . . . . 2255.2.4. Организация связанных расчётов . . . . . . . . . 2315.3. Анализ ВГД-моделей . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 23245.3.1.5.3.2.5.3.3.5.4.5.5.5.6.Влияние расчётных сеток на результаты . . . . .Влияние модельных параметров на решение . . .Сравнение методов расчёта динамических коэффициентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.5.3.4. Сравнение моделей пористой среды . . . . . . . .Моделирование роторной системы . . . . . . . . . . . . .5.4.1. Прямое численное интегрирование . . . . . . . .5.4.2. Пакеты MRACE, RACE и RACE3D . . . . . . . . . . . .5.4.3. Анализ конечно-элементных моделей . . . . . . .Экспериментальные исследования . . . . . . .

. . . . . .5.5.1. Экспериментальные стенды . . . . . . . . . . . .5.5.2. Беспрецессионный стенд на жёстких опорах . . .5.5.3. Динамический стенд на податливых опорах . . .Выводы по главе 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 6. Анализ характеристик уплотнений . . . . . . . .6.1. Характеристики лабиринтных уплотнений . . . . . . . .6.1.1. Короткие лабиринтные уплотнения . .

. . . . . .6.1.2. Лабиринтное уплотнение с 20 гребешками . . . .6.2. Характеристики щёточных уплотнений . . . . . . . . . .6.2.1. Изменение зазора в щёточном уплотнении . . . .6.2.2. Изменение толщины щёточного пакета . . . . . .6.2.3. Давление в узлах с щёточными уплотнениями . .6.3. Расход узлов с щёточными уплотнениями .

. . . . . . . .6.3.1. Щёточно-лабиринтные уплотнения . . . . . . . .6.3.2. Щёточное уплотнение с тремя пакетами . . . . .6.4. Динамические коэффициенты узлов с щёточными уплотнениями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6.4.1. Щёточно-лабиринтные уплотнения . . . . . . . .6.4.2. Щёточное уплотнение с тремя пакетами . . . . .6.5. Эффект сегментирования щёточного пакета на расход идинамические коэффициенты . .

. . . . . . . . . . . . . .6.6. Результаты дискретной модели щёточного уплотнения .6.7. Использование механических моделей уплотнений . . . .52322372402462492502532562592592612682732752752752913043043063073153153193203203323363443496.8.Выводы по главе 6 . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .352Глава 7. Практические вопросы по применению щёточныхуплотнений в роторных системах авиационных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3557.1. Сравнительный анализ характеристик исследованных уплотнений . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3557.1.1. Обобщённый анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . 3557.1.2. Расходные характеристики . . . . . . . . . . . . . 3577.1.3. Локальные коэффициенты жёсткости . . . . . . . 3597.1.4. Глобальные коэффициенты жёсткости . . . .

. . 3627.1.5. Глобальные коэффициенты демпфирования . . . 3647.2. Формирование жесткостных характеристик в каналах уплотнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3667.2.1. Короткие лабиринтные уплотнения . . . . . . . . 3667.2.2. Щёточно-лабиринтные уплотнения SSB и BSS . . 3707.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнение . . 3737.3.1.

Базовые щёточные уплотнения . . . . . . . . . . 3737.3.2. Характеристики расхода, радиального зазора исжатия пакета базовых уплотнений . . . . . . . . 3757.3.3. Инженерный подход для оценки расхода через щёточное уплотнение . . . .

. . . . . . . . . . . . . . 3797.4. Применение описанных подходов в практических расчётах 3807.4.1. Оценка расхода щёточных уплотнений . . . . . . 3807.4.2. Щёточные уплотнения «Ивченко-Прогресс» . . . 3847.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениями . . . 3877.5.1. Вопросы трибологии щёточных уплотнений . . . 3877.5.2. Анализ конструкций и выбор параметров щёточных уплотнений . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . 3917.5.3. Экспериментальный стенд МАИ . . . . . . . . . . 3977.6. Выводы по главе 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6401Условные обозначения, индексы и сокращения . . . . . . .404Список литературы . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .409Список иллюстраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .453Список таблиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .460Приложение А. Локальные конечно-элементные матрицыдля балочной модели вала . . . . . .