Автореферат (785880)
Текст из файла
На правах рукописиПугачёв Александр ОлеговичЩЁТОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ В РОТОРНЫХ СИСТЕМАХАВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ05.07.05 — Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратовАвтореферат диссертации на соискание учёной степенидоктора технических наукМосква — 2015Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)».Научный консультант:доктор технических наук, профессорРАВИКОВИЧ Юрий Александрович.Официальные оппоненты:ИВАНОВ Андрей Владимирович,доктор технических наук, доцент,ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики», главный конструктор;ТЕМИС Юрий Моисеевич,доктор технических наук, профессор,ГНЦ ФГУП «ЦИАМ имени П.И.
Баранова», руководитель отдела;ФАЛАЛЕЕВ Сергей Викторинович,доктор технических наук, профессор,ФГАОУ ВО «СГАУ имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», заведующий кафедрой.Ведущая организация:Опытно-конструкторское бюро имени А. Люльки (филиал ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»).Защита состоится 14 марта 2016 г.
в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национального исследовательского университета), по адресу:125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета)(www.mai.ru/events/defence).Автореферат разослан 01 декабря 2015 г.Учёный секретарь диссертационного советадоктор технических наук, профессорЗуев Ю.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.
Современное развитие турбомашиностроения тесносвязано с увеличением скоростей вращения валов и уровней давления рабочих сред, с экстремальными температурами, с уменьшением зазоров междувращающимися и стационарными частями машины. Данные меры направлены на увеличение коэффициента полезного действия, увеличение мощности,повышение экономичности, а также на уменьшение воздействия на окружающую среду роторных машин. Проектирование новых и модернизация ужеизвестных типов уплотнительных узлов роторных машин является одной изважнейших задач для достижения указанных целей с одновременным выполнением требований по надёжности, безопасности и долговечности. В настоящее время за рубежом ведётся активное внедрение щёточных уплотнений вавиационных двигателях, в стационарных газо- и паротурбинных установках.Податливые элементы щёточных уплотнений позволяют значительно уменьшить утечки по сравнению со стандартными лабиринтными уплотнениями.
Вавиационных двигателях уплотнительные узлы напрямую влияют на осевыеразмеры двигателя, его массу 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 класса машин. Силы, возникающие в малых зазорах уплотнений, могут быть сопоставимы с силами вподшипниках и оказывать как стабилизирующее, так и возбуждающее воздействие на ротор.
Неполная или неточная информация о силах в уплотненияхможет иметь результатом повышенные вибрации и износ в процессе эксплуатации. В экстремальном случае динамическая неустойчивость уплотненийможет привести к выходу из строя агрегата.Малые зазоры, а также наличие податливых элементов, обуславливаютвысокую степень сложности проблемы исследования динамики роторов с перспективными уплотнительными узлами. К настоящему времени за рубежомпроведён довольно значительный объём исследований по уплотнениям с податливыми элементами. Однако в большинстве работ рассматриваются лишьрасходные характеристики и смежные темы без затрагивания динамических4характеристик.
Также малоизученными являются вопросы динамики многоопорных роторов с учётом совместного влияния подшипников и уплотнений.Щёточные уплотнения могут устанавливаться в контакте с ротором, что делает вопросы выбора материалов трибопары и износа податливых элементовуплотнения первостепенными вопросами при проектировании.Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в настоящее время существует острая необходимость в теоретических и экспериментальныхисследованиях перспективных уплотнительных узлов с податливыми элементами. Данная тема является актуальной как с научной, так и с практическойпозиций.
Несмотря на ранние исследования в России ряд попыток внедрения щёточных уплотнений в турбомашиностроении не увенчался успехом, чтотакже говорит о необходимости дальнейшей работы для развития и распространения данной перспективной технологии.Результаты настоящей диссертационной работы были получены в томчисле в рамках следующих научно-исследовательских программ: программыМинистерства образования Российской Федерации «Научные исследованиявысшей школы в области транспорта» (проект: 005.02.01.42, 2000 г.) и «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки итехники» (проекты: 205.02.01.001 и 205.02.01.056, 2001-2004 гг.); грант Министерства образования РФ для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов (код: А03-3.18-164, 2003-2004 гг.); научно-исследовательскиепроекты Шестой и Седьмой рамочных программ Европейского союза CESAR(код: AIP5-CT-2006-03088, 2006-2010 гг.) и ESPOSA (код: ACP1-GA-2011284859, 2011-2016 гг.); проекты DT7 (2005-2008 гг.) и BY09 DT (20092012 гг.) в рамках научно-исследовательской программы «Kraftwerke des 21.Jahrhunderts», ФРГ; грант 14.В37.21.1981 мероприятия 1.5 ФЦП «Научныеи научно-педагогические кадры инновационной России» при поддержке Минобрнауки РФ (2012-2013 гг.); проект Cooreflex-Turbo 3.2.6 в рамках научноисследовательской программы AG Turbo, ФРГ (2014-2018 гг.).Объектом исследования являются узлы с щёточными уплотнениями дляроторных систем турбомашин.Предметом исследования являются расходные и динамические характеристики узлов с щёточными уплотнениями.5Цель и задачи исследования.
Цель работы состоит в развитии научнотехнического направления, связанного с технологией щёточных уплотнений;заключается в создании научных основ и методологии для расчёта узлов сщёточными уплотнениями, а также динамики многоопорных роторов с учётомвлияния уплотнений, в получении новых теоретических и экспериментальныхрезультатов, в создании подходов к проектированию щёточных уплотненийи в обеспечении эффективности и надежности функционирования роторныхсистем с щёточными уплотнениями.Для достижения поставленной цели решены нижеследующие задачи.1) Анализ современных направлений развития уплотнительной техники,конструкций уплотнительный узлов, теоретических моделей и методовисследования.2) Анализ накопленного опыта использования щёточных уплотнений вавиационных двигателях.3) Разработка математических моделей для расчёта расходных и динамических характеристик узлов с щёточными уплотнениями на основе методов вычислительной гидродинамики.4) Разработка теоретических инструментов для анализа щёточных уплотнений и динамической системы «ротор – уплотнения».5) Изучение закономерностей работы узлов с щёточными уплотнениямисовременных турбомашин с использованием теоретических и экспериментальных методов.6) Проверка адекватности разработанных теоретических моделей и достоверности полученных результатов с использованием экспериментальныхданных.7) Разработка упрощённых инженерных методик для расчёта щёточныхуплотнений.8) Разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации щёточныхуплотнений, в том числе применительно к авиационным двигателям.6Научная 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 использованиемметодов вычислительной гидродинамики.3) Предложена модификация модели пористой среды для описания набораволокон в щёточном пакете.4) Сформированы теоретические основы расчёта динамических характеристик уплотнений.5) Получены новые закономерности для расходных характеристик и динамических коэффициентов жёсткости и демпфирования узлов с щёточными уплотнениями.6) Выявлены закономерности по влиянию узлов с щёточными уплотнениями на динамику ротора.7) Разработан инженерный подход для оценки расходных характеристикщёточных уплотнений.8) Выработаны рекомендации по проектированию узлов с щёточнымиуплотнениями и их применению в авиационных двигателях.Теоретическая и практическая значимость.
Разработанные в диссертации математические модели и методологии расчёта позволяют проводить какповерочные, так и проектировочные расчёты системы «ротор — уплотнения».Результаты проведённых исследований, а также упрощённые методики могут быть использованы при внедрении щёточных уплотнений в конструкцияхавиационных двигателей, а также других типах турбомашин. Изложенные теоретические модели и методики выполнения расчётов могут применяться дляисследования других типов уплотнений с податливыми элементами.Результаты работы внедрены и используются при проектированииуплотнительных узлов с щёточными уплотнениями в ОАО «Климов», ГП«ЗМКБ «Прогресс» имени академика А.Г. Ивченко», Alstom Power.7Методология и методы исследования.
Содержание работы в целом опирается на научные труды отечественных и зарубежных ученых в областиуплотнительной техники, трибологии, динамики роторов, авиадвигателестроении, а также вычислительной механики и гидродинамики.Аэродинамический расчёт узлов с щёточными уплотнениями основанна численном решении полной системы осреднённых уравнений Навье-Стоксаметодом конечных объёмов.
Моделирование потока в каналах уплотнений проводилось с использованием коммерческих пакетов общего назначения ANSYSCFX, ANSYS Fluent, ANSYS ICEM CFD, а также некоммерческого пакета с открытым кодом OpenFOAM. Щёточный пакет моделируется как с использованием обобщённой модели пористости Дарси, так и с учётом дискретной структуры набора волокон. Процесс получения результатов следует общей методологии выполнения расчётов с выполнением верификации и валидизации.Расчёт динамики роторов, а также структурные расчёты выполнены вкоммерческом пакете ANSYS Mechanical с использованием балочных и трёхмерных конечно-элементных моделей.
Балочная модель многоопорной роторной системы также построена в виде собственной программы, реализованнойв системе научных и инженерных расчётов MATLAB. Для прямого численногоинтегрирования уравнений движения ротора при выполнении динамическогоанализа системы в качестве основного используется метод Ньюмарка.Экспериментальные исследования проводились на специальных стендах с использованием информационно-измерительного оборудования фирмNational Instruments, Pressure Systems, Brüel & Kjær, Rheonik и др. Управление экспериментальными стендами, выполнение экспериментов, а также сбори 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 щёточнымиуплотнениями, позволяющие получать адекватные результаты по расходным и динамическим характеристикам.2) Модификация модели пористой среды щёточного уплотнения.83) 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 корректностьюпостановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированныханалитических и численных методов поиска решения, а также подтверждается всесторонним анализом используемых моделей, качественным и количественным согласованием теоретических результатов с экспериментальнымиданными, полученными в том числе другими исследователями, и внедрениемрезультатов диссертации на ряде предприятий.Апробация работы.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
