Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 3

Щёточный пакет моделируется как с использованием обобщённой модели пористостиДарси, так и с учётом дискретной структуры набора волокон. Процессполучения результатов следует общей методологии выполнения расчётов с выполнением верификации и валидизации.12Общая характеристика работыРасчёт динамики роторов, а также структурные расчёты выполнены в коммерческом пакете ANSYS Mechanical с использованием балочных и трёхмерных конечно-элементных моделей.

Балочная модельмногоопорной роторной системы также построена в виде собственнойпрограммы, реализованной в системе научных и инженерных расчётовMATLAB. Для прямого численного интегрирования уравнений движенияротора при выполнении динамического анализа системы в качестве основного используется метод Ньюмарка.Экспериментальные исследования проводились на специальных лабораторных стендах с использованием информационно-измерительногооборудования фирм Brüel & Kjær, Rheonik, Pressure Systems, NationalInstruments и др.

Управление экспериментальными стендами, выполнение экспериментов, а также сбор и первичная обработка экспериментальных данных выполнялись с использованием программного обеспечения LabVIEW, а также с применением разработанной методики, нацеленной на исключение возможных ошибок.На защиту выносятся нижеследующие результаты и положения.1. Математические модели и алгоритмы для расчёта узлов с щёточными уплотнениями, позволяющие получать адекватные результаты по расходным и динамическим характеристикам.2. Модификация модели пористой среды щёточного уплотнения.3. Программа для расчёта динамики многоопорной системы «ротор– уплотнения» на основе балочной модели.4. Результаты исследований расходных и динамических характеристик узлов с щёточными уплотнениями.5.

Инженерная методика оценки расхода через щёточное уплотнение.Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированных аналитических и численных методов поиска13Общая характеристика работырешения, а также подтверждается всесторонним анализом используемых моделей, качественным и количественным согласованием теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными втом числе другими исследователями, и внедрением результатов диссертации на ряде предприятий.Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующихнаучно-технических конференциях: школа-семинар «Современные проблемы механики и прикладной математики» (Воронеж, 2000); Всероссийская научно-техническая конференция «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (Воронеж, 2001); Международная научно-техническая конференция «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2002); Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2003); Международный симпозиум «Актуальные проблемы машиностроения и механики сплошных и сыпучих сред» (Москва, 2004); EDF& LMS Poitiers Workshop on Advanced Topics and Technical Solutions inDynamic Sealing (Futuroscope, France, 2005); Международный научныйсимпозиум «Гидродинамическая теория смазки—120 лет» (Орел, 2006);9th International Conference on Motion and Vibration Control (Munich,Germany, 2008); 7th EDF & LMS Poitiers Workshop on Operational Limits of Bearings (Futuroscope, France, 2008); IMechE International Conference on Vibrations in Rotating Machinery (Exeter, UK, 2008; London, UK,2012); 10th IMechE European Fluid Machinery Congress (Amsterdam, TheNetherlands, 2008); ASME Turbo Expo (Berlin, Germany, 2008; Orlando,FL, USA, 2009; Glasgow, UK, 2010; Copenhagen, Denmark, 2012; SanAntonio, TX, USA, 2013; Düsseldorf, Germany, 2014; Montreal, Canada,2015); 6th AIAA Multidisciplinary Design Optimization Specialist Conference (Orlando, FL, USA, 2010); IFToMM International Conference on Rotor Dynamics (Seoul, South Korea, 2010; Milan, Italy, 2014); школа-семинар «Использование CAD/CAE систем при создании изделий авиационной и ракетно-космической техники» (МАИ, УОЦ «Вятичи», 2012); 10thEuropean Conference on Turbomachinery (Lappeenranta, Finland, 2013);50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference (Cleveland,14Общая характеристика работыOH, USA, 2014); EUROMECH Colloquium 573 “Coupling and NonlinearInteractions in Rotating Machinery” (Lyon, France, 2015); научно-техническая конференция «Климовские чтения.

Перспективные направленияразвития авиадвигателестроения» (Санкт-Петербург, 2015); 14-я Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Москва, 2015);а также на семинарах кафедры 203 «Конструкция и проектированиедвигателей» и заседаниях Учёного совета факультета № 2 «Двигателилетательных аппаратов» МАИ.Публикации. По теме диссертации опубликовано более 60 научных работ, включая 1 монографию; 17 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень1 ВАК РФ или удовлетворяющихкритериям для включения в Перечень; 14 статей в других изданиях,входящих в системы Web of Science и Scopus; а также 3 патента и 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.Личный вклад автора.

Содержание диссертации и положения,выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в проведённые исследования. Подготовка к публикации результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты, если не указанообратное, получены лично автором.Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Общийобъём диссертации составляет 498 страниц, включая 178 рисунков и 51таблицу. Библиография включает 399 наименований ссылочной литературы на 44 страницах.Благодарность.

Автор выражает личную признательность научному консультанту профессору Равиковичу Ю. А., а также профессору Савину Л. А., профессору Шплитхоффу Х. и коллегам Декнеру М.,Гасцнеру М., Грибелю К., Кляйнхансу У., Цорну П., Воронину В. А.,Ермилову Ю. И., Матушкину А. А., Холобцеву Д.

П., Полякову Р. Н.,Соломину О. В., Резнику С. Б., Петрову А. В., Тихомирову В. В., Шереметьеву А. В.1Перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научныхрезультатов диссертаций15Глава 1Уплотнительные узлы роторовтурбомашин как объект исследованияГлава служит введением в тему исследования. Представлена роль уплотнений в роторных машинах. Приведён обзор работ из области уплотнительной техники и динамики роторов. Акцент сделан на уплотнения с податливымиэлементами (щёточные, листовые, пальчиковые, лепестковые).

Отдельно выделены работы по моделированию уплотнений. В конце главы описывается структура исследования.1.1. Роль уплотнений в роторных машинахВажнейшими компонентами роторных машин являются, помимосамих роторов, подшипниковые и уплотнительные узлы. Данные элементы напрямую влияют на коэффициент полезного действия агрегата,его работоспособность, надёжность, ресурс и экологичность. Подшипники воспринимают нагрузку, действующую на вал, и обеспечивают еговращение.

Уплотнения предназначены для уменьшения утечек и контроля за расходом газовых и жидкостных сред между различными частями машины.Увеличение коэффициента полезного действия, повышение требований к экономичности и экологичности для современных роторных машин имеют результатом стремление к уменьшению зазоров и повышению рабочих параметров в уплотнениях. При этом сокращение утечекрабочего тела является одним из важнейших направлений дальнейшегоразвития технологий турбомашиностроения. По сравнению с другимимерами повышения КПД (например, новая лопаточная часть) использование усовершенствованных конструкций уплотнительных узлов какв новых агрегатах, так и при проведении модернизации эксплуатирующихся агрегатов может являться более рациональным с экономической161.1.

Роль уплотнений в роторных машинахточки зрения решением.В газотурбинных двигателях (ГТД) уплотнительные узлы напрямую влияют на осевые размеры двигателя, его массу и удельный расход топлива. Например, увеличение радиального зазора на 1% по венцурабочих лопаток в турбине и в компрессоре ГТД приводит к возрастанию удельного расхода топлива на 1.5. . . 2.0% и 1.5. . .

3.0% соответственно [30]. В паровых турбинах замена лабиринтных уплотнений щёточными может повысить КПД ступени на 0.5. . . 1.2% для турбин большоймощности и на 0.2. . . 0.4% для промышленных турбин [212].Наряду с требованиями по утечкам также должны выполнятьсяусловия по ресурсу, тепловыделению и потерям на трение в узле. В зависимости от приложения ожидаемый ресурс уплотнительных узлов лежит в диапазоне от 3 до 10000 часов.Типы опор и уплотнений, а также компоновка роторной системыявляются факторами, определяющими динамическое поведение роторной машины. Малые зазоры и высокие перепады давлений в уплотнениях могут приводить к возникновению значительных аэродинамическихи механических сил, которыми нельзя пренебрегать при анализе динамического поведения роторной системы.

К тому же, по сравнению с подшипниками, уплотнения часто находятся на позициях по оси вала, накоторых могут возникать максимальные амплитуды колебаний ротора.Поэтому другой важной задачей является исследование динамическиххарактеристик уплотнений.В применении к уплотнительным узлам авиационных двигателейэкстремальными рабочими условиями являются нижеследующие [266].∙ Температура газа до 815∘ C.∙ Давление газа до 17 атм.∙ Линейная скорость ротора до 460 м/с.Основными задачами при выполнении проектировочных и поверочных расчётов уплотнений турбомашин являются определение нижеследующих характеристик.171.1. Роль уплотнений в роторных машинах∙ Расход в зависимости от рабочих параметров.∙ Тепловыделение и потери на трение.∙ Деформация элементов уплотнения.∙ Изменение зазора вследствие различных факторов.∙ Влияние уплотнения на динамику роторной системы.∙ Износ и ресурс уплотнительного узла.Щёточные уплотнения являются наиболее развитой к настоящемувремени технологией уплотнений с податливыми элементами.

Щёточные уплотнения (ЩУ) уже нашли частичное применение в турбомашинах за рубежом. Однако для достижения зрелости данной технологии,необходимой для её более широкого применения, использования на ответственных позициях, а также для её внедрения в отечественных разработках, требуются расширенные экспериментальные и теоретическиеисследования. Некоторые решения, связанные с технологией уплотнений с податливыми элементами в целом и с щёточными уплотнениями вчастности, находятся ещё в начальной стадии своего развития.Основными преимуществами уплотнений с податливыми элементами над стандартными лабиринтными уплотнениями являются значительно меньший (в некоторой степени контролируемый) радиальныйзазор, что имеет результатом уменьшение утечек, а также способностьпри этом воспринимать колебания вала за счёт податливых элементов.К текущим недостаткам уплотнений с податливыми элементами относятся следующие свойства: относительно узкий диапазон рабочих параметров (скорость вращения вала, рабочие давления и температуры);возможность неустойчивой динамической работы; сложность конструкции и стоимость.