Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 2

. . . . . . . . . . . . . 462А.1. Балочный элемент Бернулли-Эйлера . . . . . . . . . . . . 462А.2. Балочный элемент Тимошенко . . . . . . . . . . . . . . . 463Приложение Б. Файлы сТВД . . . . . . . . . . . .Б.1. Свободная турбина .Б.2. Газогенератор . . . .параметрами роторной. .

. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .системы. . . . . 465. . . . . 465. . . . . 466Приложение В. Файлы для создания геометрии уплотнительного узла SSB-1 в ICEM CFD . . . . . . . . . . . . . . . . 468В.1. Файл с исходными данными . . . . . .

. . . . . . . . . . . 468В.2. Скрипт tcl для генерации геометрии . . . . . . . . . . . 468Приложение Г. Пакет POLLS для автоматизированного расчёта щёточного уплотнения в OpenFOAM . . . . . . . . . . . 478Г.1. Функция генерации параметров модели пористой среды 478Г.2. Скрипт генерации геометрии для blockMesh . . . . .

. . 480Г.3. Файлы пакета в каталоге system . . . . . . . . . . . . . . 490Г.4. Файлы пакета в каталоге constant . . . . . . . . . . . . . 493Г.5. Файлы пакета в каталоге 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . 4947Общая характеристика работыАктуальность темы. Современное развитие турбомашиностроения тесно связано с увеличением скоростей вращения валов и уровнейдавления рабочих сред, с экстремальными температурами, с уменьшением зазоров между вращающимися и стационарными частями машины. Данные меры направлены на увеличение коэффициента полезногодействия (КПД), увеличение мощности, повышение экономичности, атакже на уменьшение негативного воздействия на окружающую средуроторных машин.

Проектирование новых и модернизация уже известных типов уплотнительных узлов роторных машин является одной изважнейших задач для достижения указанных целей с одновременнымвыполнением требований по надёжности, безопасности и долговечности. В настоящее время за рубежом ведётся активное внедрение щёточных уплотнений в авиационных двигателях, в стационарных газо- и паротурбинных установках. Податливые элементы щёточных уплотненийпозволяют значительно уменьшить утечки по сравнению со стандартными лабиринтными уплотнениями.

В авиационных двигателях уплотнительные узлы напрямую влияют на осевые размеры двигателя, егомассу и удельный расход топлива.Наряду с определением расходных характеристик, уплотнений исследование влияния уплотнительных узлов на динамику ротора становится всё более актуальной задачей для всё более широкого классамашин. Силы, возникающие в малых зазорах уплотнений, могут бытьсопоставимы с силами в подшипниках и оказывать как стабилизирующее, так и возбуждающее воздействие на ротор. Неполная или неточнаяинформация о силах в уплотнениях может иметь результатом повышенные вибрации и износ в процессе эксплуатации. В экстремальном случаединамическая неустойчивость уплотнений может привести к выходу изстроя агрегата.Малые зазоры, а также наличие податливых элементов, обуславливают высокую степень сложности проблемы исследования динамики роторов с перспективными уплотнительными узлами.

К настоящему времени за рубежом проведён довольно значительный объём исследований8Общая характеристика работыпо уплотнениям с податливыми элементами. Однако в большинстве работ рассматриваются лишь расходные характеристики и смежные темыбез затрагивания динамических характеристик. Также малоизученными являются вопросы динамики многоопорных роторов с учётом совместного влияния подшипников и уплотнений. Щёточные уплотнениямогут устанавливаться в контакте с ротором, что делает вопросы выбора материалов трибопары и износа податливых элементов уплотненияпервостепенными вопросами при проектировании.Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в настоящее время существует острая необходимость в теоретических и экспериментальных исследованиях перспективных уплотнительных узлов сподатливыми элементами.

Данная тема является актуальной как с научной, так и с практической позиций. Несмотря на ранние исследованияв России ряд попыток внедрения щёточных уплотнений в турбомашиностроении не увенчался успехом, что также говорит о необходимостидальнейшей работы для развития и распространения данной перспективной технологии.Результаты настоящей диссертационной работы были получены втом числе в рамках следующих научно-исследовательских программ:∙ программы Министерства образования Российской Федерации«Научные исследования высшей школы в области транспорта»(код проекта: 005.02.01.42, 2000 г.) и «Научные исследованиявысшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»(коды проектов: 205.02.01.001 и 205.02.01.056, 2001-2004 гг.);∙ грант Министерства образования Российской Федерации для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов (код гранта: А03-3.18-164, 2003-2004 гг.);∙ научно-исследовательские проекты Шестой и Седьмой рамочныхпрограмм Европейского союза CESAR (код проекта:AIP5-CT-2006-03088, 2006-2010 гг.) и ESPOSA (код проекта:ACP1-GA-2011-284859, 2011-2016 гг.);∙ научно-исследовательские проекты DT7 (2005-2008 гг.) и BY099Общая характеристика работыDT (2009-2012 гг.) в рамках научно-исследовательскойпрограммы «Kraftwerke des 21.

Jahrhunderts», ФРГ;∙ грант 14.В37.21.1981 мероприятия 1.5 ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» при поддержке Минобрнауки РФ (2012-2013 гг.);∙ научно-исследовательский проект Cooreflex-Turbo 3.2.6 в рамкахпрограммы AG Turbo, ФРГ (2014-2018 гг.).Объектом исследования являются узлы с щёточными уплотнениями для роторных систем турбомашин.Предметом исследования являются расходные и динамическиехарактеристики узлов с щёточными уплотнениями.Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в развитиинаучно-технического направления, связанного с технологией щёточныхуплотнений; заключается в создании научных основ и методологии длярасчёта узлов с щёточными уплотнениями, а также динамики многоопорных роторов с учётом влияния уплотнений, в получении новых теоретических и экспериментальных результатов, в создании подходов кпроектированию щёточных уплотнений и в обеспечении эффективности и надежности функционирования роторных систем с щёточнымиуплотнениями.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.1.

Анализ современных направлений развития уплотнительной техники, конструкций уплотнительный узлов, теоретических моделейи методов исследования.2. Анализ накопленного опыта использования щёточных уплотненийв авиационных двигателях.3. Разработка математических моделей для расчёта расходных и динамических характеристик узлов с щёточными уплотнениями наоснове методов вычислительной гидродинамики.4. Разработка теоретических инструментов для анализа щёточныхуплотнений и динамической системы «ротор – уплотнения».10Общая характеристика работы5.

Изучение закономерностей работы узлов с щёточными уплотнениями современных турбомашин с использованием теоретических иэкспериментальных методов.6. Проверка адекватности разработанных теоретических моделей идостоверности полученных результатов с использованием экспериментальных данных.7. Разработка упрощённых инженерных методик для расчёта щёточных уплотнений.8. Разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации щёточных уплотнений, в том числе применительно к авиационнымдвигателям.Научная новизна работы формулируется следующими положениями:1.

Разработана классификация уплотнительных узлов с податливыми элементами для использования в турбомашиностроении.2. Разработан комплекс математических моделей различной степени сложности для расчёта узлов с щёточными уплотнениями с использованием методов вычислительной гидродинамики.3. Предложена модификация модели пористой среды для описаниянабора волокон в щёточном пакете.4. Сформированы теоретические основы расчёта динамических характеристик уплотнений.5. Получены новые закономерности для расходных характеристик идинамических коэффициентов жёсткости и демпфирования узловс щёточными уплотнениями.6. Выявлены закономерности по влиянию узлов с щёточными уплотнениями на динамику ротора.11Общая характеристика работы7. Разработан инженерный подход для оценки расходных характеристик щёточных уплотнений.8.

Выработаны рекомендации по проектированию узлов с щёточными уплотнениями и их применению в авиационных двигателях.Теоретическая и практическая значимость. Разработанные вдиссертации математические модели и методологии расчёта позволяютпроводить как поверочные, так и проектировочные расчёты системы«ротор — уплотнения». Результаты проведённых исследований, а такжеупрощённые методики могут быть использованы при внедрении щёточных уплотнений в конструкциях авиационных двигателей, а также других типах турбомашин. Изложенные теоретические модели и методикивыполнения расчётов могут применяться для исследования других типов уплотнений с податливыми элементами.Результаты диссертационного исследования внедрены и используются при проектировании уплотнительных узлов с щёточными уплотнениями в ОАО «Климов», ГП «ЗМКБ «Прогресс» имени академикаА.Г.

Ивченко», Alstom Power.Методология и методы исследования. Содержание работы вцелом опирается на научные труды отечественных и зарубежных ученых в области уплотнительной техники, трибологии, динамики роторов,авиадвигателестроении, а также вычислительной механики и гидродинамики.Аэродинамический расчёт узлов с щёточными уплотнениями основан на численном решении полной системы осреднённых уравнений Навье-Стокса методом конечных объёмов. Моделирование потока в каналах уплотнений проводилось с использованием коммерческих пакетовобщего назначения ANSYS CFX, ANSYS Fluent, ANSYS ICEM CFD, а такженекоммерческого пакета с открытым кодом OpenFOAM.