Диссертация (785882), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Чувствительность уплотнений к вариациям в размерах, зазорах,допусках, рабочих параметрах и других граничных условиях затрудняет использование чисто детерминистских подходов к контролю за надёжностью. Построение вероятностных моделей позволяет проводитьоценки деградации характеристик уплотнения, вероятности появлениядефектов, риска выхода из строя конкретного уплотнения и др. В литературе имеются примеры использования вероятностных методов дляанализа работы лабиринтных уплотнений (см., например, [70; 278]).7.5.3. Экспериментальный стенд МАИНекоторые результаты и целые математические модели диссертационной работы были переданы в ОАО «Климов», ГП «ЗМКБ «Прогресс» имени академика А.Г.
Ивченко», Alstom Power для использования при проектировании уплотнительных узлов.Также в рамках внедрения результатов работы на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей» Московского авиационного института (МАИ) разработан экспериментальный стенд для тестирования3977.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениямиуплотнений.Экспериментальный стенд МАИ выполнен по симметричной двухпоточной схеме. Сжатый воздух подаётся во входную камеру, расположенную в середине корпуса с тестируемыми уплотнениями. Короткийжёсткий вал опирается на подшипники качения. Основными варьируемыми рабочими параметрами стенда являются давление подачи воздуха и скорость вращения вала.
Имеется возможность выставлять статический эксцентриситет вала по отношению к статору. Основным предназначением стенда является экспериментальное изучение расходныххарактеристик уплотнений, в первую очередь, щёточных уплотнений.Стенд МАИ разрабатывался специально для тестирования щёточных уплотнений. Параметры щёточного уплотнения B-5 для стенда сведены в табл. 7.7. Щёточное уплотнение представляет собой коммерческое уплотнение, металлический проволока которого изготовлена изупомянутого выше сплава Haynes 25 с использованием сварного соединения. Обойма щёточного уплотнения B-5 изготовлена из коррозионностойкого никелевого сплава Hastelloy X. Параметры щёточного пакетасоответствуют нижним границам по диаметру микропроволоки и плотности упаковки волокон стандартных конструкций щёточных уплотнений.Схема щёточного уплотнения B-5 приведена на рис.
7.17. Щёточный пакет показан как более затемнённая область. Обойма уплотненияимеет простую геометрию без профилированных поверхностей. ЩёточТаблица 7.7. Параметры щёточного уплотнения B-5B-5Диаметр проволоки[мкм]71Длина волокна[мм]12.5Плотность пакета[шт/мм окруж.]96∘Угол наклона волокон[]50Номинальная толщина пакета[мм]0.9Номинальный радиальный зазор[мм]0.0Радиальный зазор опорного кольца[мм]2.1Диаметр вала[мм]88.03987.6. Выводы по главеРис.
7.17. Схема щёточного уплотнения B-5 (все размеры в мм)ное уплотнение устанавливается с нулевым монтажным зазором. Приэтом на поверхность вала наносится специальное покрытия для улучшения свойств трибологической пары.Предусматривается тестирование как одиночного щёточного уплотнения B-5, так и двухкаскадного узла, состоящего из двух щёточныхуплотнений B-5 (конфигурация BB-5).7.6. Выводы по главе 7Приведённый обобщённый анализ полученных результатов по характеристикам уплотнений позволяет провести качественную оценкупреимуществ и недостатков различных конструкций щёточных уплотнений.Предложенные упрощённые подходы представляют собой практические инструменты для оценки расходных характеристик щёточныхуплотнений, которая может быть проведена без значительных временных затрат.В основе инженерного подхода лежат экспериментальные данныепо эффективному зазору и эффекту закрытия свободного зазора дляшести различных конфигураций щёточных уплотнений. Набор экспериментальных данных дополняется расчётными зависимостями сжатиящёточного пакета, определённые с помощью калибровки модели пори3997.6.
Выводы по главестой среды, входящей в общую ВГД-модель щёточного уплотнения.Несмотря на ограниченный набор базовых уплотнений, предложенный инженерный подход демонстрирует удовлетворительное согласование с данными для других уплотнений, найденных в открытой литературе. Упрощённая ВГД-модель щёточного уплотнения, разработанная впакете OpenFOAM с использованием модели пористой среды, используется для уточнения оценок расхода, а также для определения давлений икартин течения в каналах уплотнения.
Разработанная методика позволяет проводить расчёты для реальной геометрии уплотнения в автоматизированном режиме, заметно упрощая процесс моделирования методами ВГД.Приведённая информация по конструкциям щёточных уплотнений,а также рассмотренные вопросы и рекомендации по проектированиюуплотнительных узлов с щёточными уплотнениями могут быть непосредственно использованы в процессе внедрения данной перспективнойтехнологии в конструкциях современных авиационных двигателей.400ЗаключениеВ результате выполненного диссертационного исследования решёнряд крупных научных задач по развитию и внедрению технологии щёточных уплотнений в авиационных двигателях. Методологической основой при этом являются разработанные теоретические модели, теоретические и экспериментальные методики, а также инструментальныесредства для исследования и проектирования узлов с щёточными уплотнениями.
Щёточные уплотнения представляют собой всё ещё новое техническое решение, внедрение которого внесёт значительный вклад вразвитие научно-технического потенциала.Уплотнения с податливыми элементами являются перспективнойтехнологией, позволяющей значительно уменьшить паразитные утечкив турбомашинах. Щёточные уплотнения являются одним из примеровуплотнений с податливыми элементами, которые уже нашли своё частичное применение за рубежом, но в своём развитии и распространении значительно уступают лабиринтным уплотнениям.Разработанные аэродинамические модели уплотнительных узлов сщёточными элементами основаны на использовании методов вычислительной гидродинамики.
При этом большое число волокон в пакете щёточного уплотнения представляется в базовых моделях пористой средой. Для специальных исследований используется дискретная модельсегмента щёточного уплотнения, в которой представлены отдельные волокна. Механические модели щёточного пакета используются для изучения деформации волокон в процессе работы. Разработанные теоретические модели и подходы, а также полученные результаты подвергнутытщательной верификации и валидизации.Уплотнения могут оказывать заметное влияние на динамику роторной системы. Щёточные уплотнения являются источниками аэродинамического и механического возбуждения, которое может иметь какположительный, так и отрицательный эффект. Разработанные подходы к определению динамических коэффициентов щёточных уплотненийпозволяют выполнять динамический анализ роторных систем с учётомуплотнений.401ЗаключениеТеоретическая работа дополняется обширными экспериментальными исследованиями, выполненными для различных щёточных уплотнений с использованием двух экспериментальных установок.
Сравнительный анализ расчётных и экспериментальных результатов показал адекватность разработанных моделей уплотнений при определении различных характеристик.На основе приведённых в работе теоретических и экспериментальных результатов сделаны выводы по влиянию конструктивных параметров щёточных уплотнений на расходные характеристики и динамические коэффициенты на различных рабочих режимах. Рассмотрены вопросы использование щёточных уплотнений совместно с лабиринтнымигребешками.Податливость элементов щёточного уплотнения приводит к изменениям в значениях остаточного радиального зазора и толщины щёточного пакета при возникновении перепада давления. Даже малые изменения в указанных параметрах могут оказывать значительное влияниена силы, возникающие в уплотнении.
Эксцентричное положение валаи эффект закрытия радиального зазора в щёточном пакете делают возможным контактные взаимодействия между волокнами и поверхностьювала даже в случае щёточных уплотнений, имеющих положительныйноминальный зазор.Наибольшие преимущества как по расходу, так и по динамическимкоэффициентам демонстрируют контактные щёточные уплотнения. Однако высокая прямая жёсткость таких уплотнений может оказыватьзаметный эффект на собственные частоты роторной системы.
Вопросы износа выходят в этом случае на первый план по сравнению с щёточными уплотнениями, имеющими остаточный зазор. Для созданияблагоприятных условий в контактной паре должны быть использованы специальные покрытия, например, карбид хрома. При выборе материалов трибопары важным является обеспечение условия, при которомвозможному контролируемому износу подвергаются лишь волокна пакета щёточного уплотнения.Альтернативным вариантом представляется установка щёточногоуплотнения с малым положительным номинальным зазором, который402Заключениебудет уменьшаться на рабочих режимах за счёт эффекта опускания волокон под действием перепада давления.
Тем самым может быть достигнут компромисс между максимальной герметичностью и снижением износа узла. Однако в этом случае щёточные уплотнения, как и лабиринтные, могут демонстрировать относительно высокие значения перекрёстных коэффициентов жёсткости.Предложенные в работе упрощённые подходы представляют собойпрактические инструменты для оценки расхода через щёточные уплотнения, которая может быть выполнена без значительных временных затрат. Реализованные конечно-элементные модели роторных систем также представляют собой инструменты для использования при проектировании уплотнений.Описанные математические модели и методики проведения расчётов могут быть адаптированы для исследования не только других типовуплотнений с податливыми элементами, но и перспективных упругодемпферных (лепестковых) подшипников скольжения, которые играютопределяющую роль в так называемой концепции «безмасляного турбомашиностроения» (см., например, [48; 286]).403Условные обозначения, индексы исокращенияCGℎIK———————————————————————————Площадь [м2 ]Амплитуда [м]Вязкостный коэффициент сопротивления [1/м2 ]Инерционный коэффициент сопротивления [1/м]Толщина [м]Коэффициент демпфирования [Н · с/м]Матрица демпфированияКоэффициент поперечного сдвига [-]Тангенциальная скорость (закрутка потока) [м/с]Диаметр вала [м]Диаметр проволоки [м]Коэффициент демпфирования [Н·с/м]Модуль упругости (модуль Юнга) [Па]Внутренняя энергия [Дж]Эксцентриситет вала [м]Сила [Н]Модуль сдвига [Па]Гироскопическая матрицаРадиальный зазор [м]Энтальпия [Дж/кг]Единичная матрицаГеометрический момент инерции сечения [м4 ]Полярный момент инерции [кг·м]Матрица жёсткостиКоэффициент жёсткости [Н/м]Кинетическая энергия турбулентности [м2 /с2 ]Длина [м]404Условные обозначения, индексы и сокращения———M——˙—Ma ————————2 — ————————————————Удельная сила [Н/м]Коэффициент инерции [Н·с2 /м]Момент силы [Н·м]Матрица массыМасса [кг]Расход [кг/с]Число МахаПлотность упаковки [шт/мм по окружности]Нормальная составляющая силы [Н]Скорость вращения вала [об/мин]Давление [Па]Комплексное собственное значениеКоэффициент конусности [-]Радиус [м]Коэффициент смешанной корреляции [-]Удельная газовая постоянная [Дж/(кг · К)]Энтропия [Дж/(кг·К)]Тангенциальная составляющая силы [Н]Температура [К]Крутящий момент [Н·м]Время [c]Скорость [м/с]Степень свободыСкорость [м/с]Объём [м3 ]Скорость [м/с]Пространственная координата [м]Пространственная координата [м]Собственный векторПространственная координата [м]Коэффициент относительной заполненности [-]405Условные обозначения, индексы и сокращенияΔΩΩ22 2220212———————————————————————————————Показатель адиабаты [-]Смещение [м]Пористость [-]Диссипация турбулентной энергии [м2 /с3 ]Коэффициент формы поперечного сечения [-]Собственная частота [Гц]Динамическая вязкость среды [Па · с]Коэффициент тренияТурбулентная вязкость [Па · с]Удельная масса [кг/м]Кинематическая вязкость [м2 /с]Коэффициент Пуассона [-]Удельный объём [м3 /кг]Плотность [кг/м3 ]Напряжение [Па]Параметр извилитости [-]Напряжение кручения [Па]Тензор вязких напряжений [Па]Угол наклона волокон [рад]Угловая координата [рад]Скорость вращения [рад/с]Скорость диссипации турбулентной энергии [1/с]Частота прецессии [Гц]Коэффициент частоты прецессииКритическийЭффективныйЭкспериментальныйРасчётныйНачальное, характерное значение; значение на входеЗначение на выходе; значение в 1-ой камереИзгибный406Условные обозначения, индексы и сокращения2222ℓ222222222—————————————————АДАЧХВГДГТДДЛАИПКВДКПДЛАМАИ——————————МИХМКВМКО———Пакет щёточного уплотненияДискВыходная камераЭквивалентныйВнутренний {радиус}Локальный коэффициентМаксимальное значениеМинимальное значениеВнешний {радиус}Перпендикулярное направлениеРадиальныйРотор, валСсылочныйНаправление вдоль волоконПолныйТангенциальныйОсевое направлениеАвиационный двигательАмплитудно-частотная характеристикаВычислительная гидродинамикаГазотурбинный двигательДвигатель летательного аппаратаГП «Ивченко-Прогресс»Компрессор высокого давленияКоэффициент полезного действияЛетательный аппаратФГБОУ ВО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»Метод (теория) интегральных характеристикМетод конечных возмущенийМетод конечных объёмов407Условные обозначения, индексы и сокращенияМКРМКЭОДУПКСАПРСТТВаДТВДТВРДТГДУТИХТРДДТУМЩУ———————————————Метод конечных разностейМетод конечных элементовОбыкновенное дифференциальное уравнениеПодшипник каченияСистема автоматизированного проектированияСвободная силовая турбинаТурбовальный двигательТурбовинтовой двигательТурбина высокого давленияТурбовентиляторный двигательТорцовые газодинамические уплотненияТеория (метод) интегральных характеристикТурбореактивный двухконтурный двигательТехнический университет гор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
