Автореферат (Моделирование характеристик воздушных уплотнений ГТД методами вычислительной газовой динамики)

На правах рукописиБРЫКИН БОРИС ВИТАЛЬЕВИЧМОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУШНЫХ УПЛОТНЕНИЙГТД МЕТОДАМИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква- 2012Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) (МАИ).Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ЛеонтьевМихаил КонстантиновичОфициальные оппоненты:Белоусов Анатолий Иванович – доктор технических наук, заслуженныйдеятель науки и техники РСФСР, профессор, Самарский государственныйаэрокосмический университет (национальный исследовательский университет),кафедра конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов,профессор;Чупин Павел Владимирович – кандидат технических наук, ОАО «НПО«Сатурн», начальник ОКБ-1.Ведущая организация: ОАОпредприятие имени В.В.

Чернышева».«МосковскоемашиностроительноеЗащита состоится «8» апреля 2013 г. в 15 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) поадресу: 125993, г.

Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «___» _____________ 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.08доктор технических наук, профессорЮ.В. Зуев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации определяется необходимостьюсовершенствования турбомашин с целью повышения их эффективности за счетоптимизации характеристик воздушных щелевых лабиринтных уплотнений(ЛУ) и решения задач общей динамики ротора газотурбинного двигателя вцелом.Кроме того, в настоящее время на большинстве предприятийавиадвигателестроения используются методики расчёта уплотнений,основывающиеся на экспериментальных коэффициентах, при этом развитиеинструментов компьютерного моделирования позволяет проводить численныеэксперименты с высоким уровнем точности и скорости.Так, например, в общей практике проектирования всё шире применяетсяпакет ANSYS CFX для газодинамических и тепловых инженерных расчётов, ноотсутствуют методики, учитывающие специфику расчетов ЛУ, и в стандартнуюкомплектацию пакета не входят верификационные примеры расчётауплотнений.Дополнительнойактуальнойособенностьюработыявляетсяиспользование экспериментально-методических данных, основанных наработах Серкова С.А.

и Петрунина Б.Н. (МЭИ) с использованием установки«Динамическая модель уплотнения», которые к настоящему моменту ещё небыли привлечены к проверке и верификации современных расчётнотеоретических методик, опирающихся на методах вычислительной газовойдинамики. Совершенствование методик расчёта динамических свойствуплотнений является актуальной научной проблемой.Цель и задачи исследований. Целью работы является разработкаметодикитрёхмерногомоделированияуплотненияпроизвольнойконфигурации, получение его расходных и динамических характеристик снабором исходных данных, располагаемых при проектировании уплотнения. Вконечном итоге, методика должна позволить осуществить расчётнотеоретическое исследование ЛУ авиационного двигателя (АД) для успешногопроектирования его узлов и систем в целом.В ходе работ были решены задачи:1.

Отработана методика получения гидравлических характеристикосесимметричных уплотнений на основе упрощённых двухмерныхплоских моделей;2. Проведено сравнение полученных расчётных данных по гидравлическимхарактеристикам уплотнений с имеющимися расчётными данными болеепростых методик и экспериментальными замерами;3. Осуществленаэкспериментальнаяпроверкадинамических характеристик уплотнений наэкспериментальных работ;методикирасчётаоснове имеющихся4.

Полученная методика была использована для определения характеристикуплотнения на изделии.3Методы исследования. При решении поставленных задач использованыпакеты для численных расчётов в сфере механики сплошной среды и,конкретно - аэрогидрогазодинамики, реализованные на базе коммерческогопрограммного обеспечения ANSYS CFX, используемого на предприятии НТЦим. А. Люльки в качестве основного средства расчёта для инженеров.В ходе расчётов интенсивно использовались современные мощныекомпьютеры и мини-кластеры.Научная новизна. Впервые в отечественной практике исследован вопрострёхмерного моделирования работы уплотнения в условиях егоэксцентриситета и прецессии с использованием методов вычислительнойгазовой динамики (ВГД).Для расчета уплотнений был использован пакет численных расчётов,позволяющий на основе модели сплошной среды, описываемой уравнениямиНавье-Стокса и моделями турбулентности, рассчитать распределение давленияпо поверхности ротора и далее вычислить значение возмущающейаэродинамической силы.В осуществлённом расчёте не применялись коэффициенты или какиелибо данные, полученные из ранее проведённых экспериментов — комбинациязадаваемых граничных условий максимально приближена к исходным данным,необходимым для проектирования уплотнения.На защиту выносятся следующие положения:1) Методика расчёта гидравлических характеристик уплотнений;2) Методика определения динамических характеристик уплотнений пораспределению давления.Практическая ценность работы:1) Разработанная методика используется НТЦ им.

А. Люльки дляпроведения собственных расчётов расходных характеристик уплотненийи разработки перспективных уплотнительных устройств;2) Отработанная методика расчёта позволит определять динамическиехарактеристики лабиринтных уплотнений и учитывать вкладаэродинамических сил, возникающих в них, на динамические свойствасистемы;Реализация результатов работы:1) Расчётные методики были использованы при решении задачвсероссийского конкурса «Двигатели XXI века», проводимого ОПК"ОБОРОНПРОМ в 2010 году.2) Расчётные методики применялись при разработке уплотнения для ПАКФА.4Достоверность результатов работы подтверждается:1) использованием фундаментальных положений газовой динамики;2) применением сертифицированных программных средств для численныхрасчётов задач механики сплошной среды;3) согласованием расчётных данных с результатами натурныхэкспериментов, по всем исследуемым свойствам уплотнений:гидравлическим и динамическим характеристикам;Апробация.

Результаты работы докладывались на Научно-техническомсовете “НТЦ им. А.Люльки ОАО “Сатурн”, а также следующих конференциях:1) Международной научно-технической конференции “Авиация икосмонавтика”, г. Москва, 2010 г;2) МАКС 2010, конкурс "Двигатели XXI века "ОПК" ОБОРОНПРОМ;3) Международной научно-технической конференции “Авиация икосмонавтика”, г. Москва, 2011 г;4) VВсероссийскаянаучно-техническаяконференциямолодыхспециалистов, Уфа, УМПО 2011 г.5) Международной научно-технической конференции “Авиация икосмонавтика”, г.

Москва, 2012 г;Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в томчисле 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основныхнаучных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наукСтруктура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов кглавам, общих выводов и заключения. Список литературы включает 70наименований. Диссертация изложена на 125 страницах, содержит 62 рисунка и10 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна,практическая ценность и результаты реализации, приведены научныеположения, которые выносятся на защиту.В первой главе выполнен подробный обзор теоретических иэкспериментальных работ, посвященных исследованию расходных идинамических характеристик авиационных уплотнений.Первая работа, связанная с исследованием уплотнений турбонасосныхагрегатов и их устойчивостью была опубликована Ломакиным А.А.

в 1955году. В работе было показано, что радиальная гидростатическая сила,возникающая при смещении ротора, может быть направлена в сторонуувеличения эксцентриситета. Изучением характеристик воздушных щелевыхлабиринтных уплотнений занималось большое количество исследователей.

Вотношении уплотнений авиационных двигателей, открытие сил, связанных с5прецессией ротора в случае сжимаемой среды было сделано Элфордом в 1965году. Он установил, что возмущающая сила в лабиринтном уплотнениигазотурбинного двигателя возникает в случае превышения площади сеченияповышенного давления по отношению к выходному сечению уплотнения вобласти пониженного давления и вызвана наличием вихря, направленного всторону вращения ротора.

В случае, когда входное сечение меньше выходного,возмущающих сил не возникает. Элфорд в основном опирался на изучениеконкретных случаев выхода двигателя из строя, другими словами, его работыможно характеризовать как целиком экспериментальные.Глубокие исследования экспериментально-теоретического характералабиринтных уплотнений паровых турбин были выполнены в МЭИ в период с1970-1990х гг. К этому периоду относятся статьи Костюка А.Г., посвящённыетеоретическому расчёту аэродинамических сил в уплотнении, диссертационныеработы Серкова С.А. и Петрунина Б.Н. Последняя работа была защищена в1991 году и посвящалась экспериментальным замерам параметров вихря вкамерах лабиринтного уплотнения, необходимых для расчётов согласноусовершенствованной теории Костюка А.Г., используемой на кафедре паровыхи газовых турбин по сей день.

При высокой оценке апробированной теории иразработанной экспериментальной базы, следует отметить, что дляприведённых работ характерен общий недостаток теоретических исследований,проведённых до 1990-х гг. - методики расчёта так или иначе опираются насовокупность данных, полученных экспериментальным путём. Это можетнакладывать серьёзные ограничения на разработку нетрадиционных моделейуплотнений на этапе проектирования новой техники.В период 1990-2000 гг, в связи с существенным развитиемвычислительной техники, появилось множество программных средств ивозможностей для реализации сложных компьютерных вычислений. Этоотразилось на разнообразии разработанных кодов для расчёта характеристиклабиринтных уплотнений.

Основным мотивом к такому широкомуисследованию уплотнительной техники послужили выигрыш в экономичностидвигателей и улучшение их характеристик. В дополнение к уже разработаннымна рубеже 80х-90х гг. SPIRALG, ICYL, GCYL в рамках американскогорасчётного комплекса INDSEAL для промышленных расчётов уплотненийпоявились GCYLT, IFACE, GFACE, SPIRALI, DYSEAL, и KTK. Научнаяпрограмма SCISEAL включала возможность расчёта сопряжённоготеплообмена, мультидоменов с элементами роторной динамики. ОсобенностьюSCISEAL являлось то, что она была апробирована в 33 тестах в Центре Льюиса,включая различные варианты расчёта присоединённых областей уплотненийтурбонасосного агрегата главного двигателя "Шаттла" и четырёхступенчатойтурбины Allison T-56/50 1D.С начала 2000 годов по настоящее время, исследования уплотнений вСША в большой степени переориентировались на новые типы устройств:пальчиковые, лепестковые, щёточные, гидростатические щёточные, сотовые,истираемые лабиринтные уплотнения.