Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 9

1.11а). В зависимости от перепада давления происходит увеличение или уменьшение зазора в уплотнении.441.5. Дополнительные технологии контроля за утечкамиа) Лабиринтное уплотнение с варьируемым зазором [71]б) Применение струйного барьера в лабиринтном уплотнении [206]Рис. 1.11. Системы контроля за утечками в лабиринтных уплотненияхАльтернативной технологией контроля за утечками в уплотненияхявляется использование струйных барьеров.

Например, система струйможет подаваться в камеру лабиринтного уплотнения под углом в направлении области высокого давления. В [206] с помощью методов вычислительной гидродинамики было показано, что такая технология способна уменьшить утечки на 25%, и была предложена новая пассивнаяконструкция на основе струйных барьеров для применения в турбинах(рис. 1.11б). Целесообразность использования подобных систем воздушной завесы определяется отношением уменьшения утечек к уменьшению КПД машины за счёт отвода части рабочей среды из зоны высокого давления. Дальнейшее развитие предложенной методики использования струйных барьеров с экспериментальным подтверждением принципа работы представлена в [203].Другим широко распространённым направлением контроля за зазорами в уплотнениях турбомашин является использование абразивныхпокрытий [125; 343; 366].

Обзор данной технологии приведён в [74].451.6. Теоретические методы исследования уплотнений1.6. Теоретические методы исследованияуплотнений1.6.1. Обзор теоретических подходовДля расчёта бесконтактных уплотнений могут быть использованымодели различной степени сложности.

При удовлетворении допущенийтеории смазки (в первую очередь малый радиальный зазор) для расчёта щелевых уплотнений простой геометрии может применяться аппаратрасчёта гидродинамических подшипников скольжения (см., например,[5; 11; 62]). В ряде случаев данный подход может использоваться и длярасчёта лабиринтных уплотнений при работе как с несжимаемой средой (см., например, [66]), так и с газом. Однако, использование уравнения Рейнольдса для моделирования уплотнений в большинстве случаев является неадекватным из-за нарушений допущений теории смазки.Поэтому построение общих моделей бесконтактных уплотнений основывается на использовании двух подходов: метода (теории) интегральных характеристик [205] или методов вычислительной гидродинамики(ВГД).Метод на основе теории интегральных характеристик7 получил широкое распространение в теоретическом анализе уплотнений из-за егопростоты и малых вычислительных затрат по сравнению с методамиВГД, а также из-за способности предсказывать характеристики уплотнений с удовлетворительной точностью [163; 164; 211; 249; 309; 351].В [117; 118; 120; 320] приведены базовые уравнения метода интегральных характеристик (МИХ), предназначенные для расчёта лабиринтных уплотнений.

Метод основан на использовании полуэмпирических зависимостей. Для расчёта динамических коэффициентов уплотнений в теории интегральных характеристик используется метод возмущений. Многие работы также показали, что метод интегральных характеристик не всегда справляется с поставленной задачей, выдаваянеадекватные результаты. Для улучшения точности МИХ предлагалисьего различные модификации.7Bulk-flow analysis461.6. Теоретические методы исследования уплотненийРанние работы по использованию методов вычислительной гидродинамики для моделирования уплотнений концентрировались на создании собственных расчётных программ [88; 91; 273; 307].

В настоящеевремя все чаще используются доступные коммерческие и свободно распространяемые программы общего назначения для решения уравненийНавье-Стокса [204; 218; 258; 259; 310].Работа [273] стала одной из первых, в которой для моделирования уплотнений использовались методы вычислительной гидродинамики. Уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу, дискретизировались методом конечных разностей. В качестве модели турбулентности использовалась модель ( − ).

Динамические коэффициенты жёсткости и демпфирования определялись методом возмущений.Для расчёта динамических коэффициентов с использованием ВГДмоделей широкое распространение получил так называемый частотныйметод [88; 91; 204; 218; 258; 307; 310; 392], который заключается в выполнении стационарных расчётов во вращающейся системе координат. Преимуществом частотного метода является его относительная экономичность с позиции организации и выполнения вычислительного процесса.Также для определения динамических коэффициентов может использоваться метод конечных возмущений [303] и различные подходы, основанные на выполнении нестационарных расчётов с прецессирующимвалом [244; 373].В [258] было проведено сравнение использования методов ВГД иМИХ для расчёта коэффициентов жёсткости и демпфирования лабиринтного уплотнения с восемью гребешками на статоре. В сравнении сэкспериментом ВГД-модель дала более близкие результаты, чем МИХмодель, но разница между теорией и экспериментом осталась значительной.

Сравнению ВГД и МИХ также посвящена работа [204].В [310] было получено хорошее согласование между вычисленными,полученными с помощью ВГД-модели, и экспериментальными коэффициентами жёсткости короткого лабиринтного уплотнения при различных значениях входной закрутки газа.Моделированию флаттера в лабиринтном уплотнении посвященаработа [69]. Связанные аэродинамический и структурный расчёты про471.6. Теоретические методы исследования уплотненийдемонстрировали аэроупругую неустойчивость уплотнения с четырьмя гребешками. Уменьшение числа гребешков до трёх и использованиекольца жёсткости позволило избежать возникновения неустойчивости.Анализ динамики роторных систем с самоустанавливающимися щелевыми уплотнениями рассмотрен в [19].Теоретическому анализу пальчиковых уплотнений с использованием аэродинамических и механических моделей различной степени сложности посвящены работы [101; 102; 250; 346; 347; 358].

Теоретическийанализ листового уплотнения приведён в [221].Для анализа спиральных колебаний валов были предложены различные аналитические модели, описывающие подводимую и отводимуютеплоту в подшипниковом или уплотнительном узле как функцию, пропорциональную либо перемещению вала, либо скорости вращения, либоускорению.В [225; 385; 386] была предложена аналитическая модель эффектаНьюкирка, которая получила широкое распространение. Также предлагались модификации классической модели Келленбергера [321]. В [156;157] сравнение данных мониторинга турбогенератора с расчётной оценкой устойчивости показало, что модель теплового потока, пропорционального скорости вращения вала, приводит к более адекватным результатам.

Более сложные модели спиральных колебаний были предложены в [93; 264].С постоянным увеличением вычислительных мощностей и удешевлением вычислительных экспериментов находят всё более широкое применение различные методы оптимизации с целью улучшения характеристик опор и уплотнений, а также роторной системы в целом. Методы математического программирования использовались в [126; 185; 194;294; 295; 300; 329; 330; 344; 345].

Эволюционные вычисления и вероятностные методы применялись в [83; 84; 331; 367]. Методы планированияэксперимента и другие методы интеллектуального анализа данных использовались в [256; 269; 367].Методы оптимизации геометрии канала лабиринтных и щелевыхуплотнений с целью минимизации расходной характеристики использовались в [269; 295; 300; 331; 367].

В [331] оптимизированная геометрия481.6. Теоретические методы исследования уплотненийкороткого конфузорного лабиринта выявила снижение расхода на 10%при неизменном зазоре по сравнению с базовой конфигурацией.1.6.2. Моделирование щёточных уплотненийМодели щёточных уплотнений можно разделить на механическиемодели для расчёта изгиба волокон [65; 82; 152; 189; 340; 375]; модели,использующие методы вычислительной гидродинамики (ВГД), в которых щёточный пакет рассматривается как пористая среда [95; 105; 115;148; 158; 242; 243; 275; 336; 390]; модели ВГД с рассмотрением дискретной структуры щётки [31; 100; 114; 231]; а также различные комбинациимоделей ВГД с механическими моделями [81; 132; 133; 240; 356].Механические модели для расчёта изгиба волоконРасчёт напряжённо-деформированного состояния волокон щёточного уплотнения вследствие аэродинамическй нагрузки или контактного взаимодействия с элементами ротора и статора является важнойзадачей при определении рабочих радиальных зазоров в уплотнении,жесткостных и демпфирующих характеристик щёточного пакета, а также износа уплотнения.В [189] был предложен метод расчёта трёхмерного изгиба волоконв пакете щёточного уплотнения.

Метод позволяет проводить расчёт длябольшого числа волокон, и основан на линейной балочной теории с учётом произвольной аэродинамической нагрузки и контакта между волокнами и обоймой уплотнения. Результаты расчётов продемонстрировалиадекватные результаты.В [375] исследовался эффект гистерезиса (зависимость расхода отистории нагружения) в ЩУ и возможности его уменьшения. Гистерезисмоделировался как потеря энергии в цикле нагружения узла.В [139] представлен аналитический подход для оценки изгибной силы, возникающей в щёточном пакете при контакте с валом. Отдельноеволокно рассматривалось как балка с защемлённым концом. Оценкасуммарной силы для целого пакета щёточного уплотнения была про-491.6.