Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы. постановка цели и задач исследования 8
1.1. Основные характеристики опоры 8
1.2. Основные этапы проектирования 14
1.3. Анализ существующих схем работоспособных опор 16
1.4. Обзор численных и экспериментальных методов моделирования многофазных течений 24
Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. Численное моделирование двухфазного течения в упрощенной геометрии маслокартера 37
2.1. Описание и результаты проведения эксперимента 38
2.2. Физико-математическая модель
2.2.1. Физическая модель 45
2.2.2. Модели многофазного течения 46
2.2.3. Область применения и основные уравнения
2.3. Определение стационарного объема жидкости в картере 54
2.4. Описание разработанного способа предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД 62
Вывода по главе 2 64
ГЛАВА 3. Исследование двухфазного течения в имитаторе опоры ГТД 65
3.1. Экспериментальное исследование 65
3.1.1. Описание экспериментального стенда 65
3.1.2. Методика получения экспериментальных данных 71
3.1.3. Обработка и анализ экспериментальных данных 73
3.2. Постановка и описание последовательности проведения численного эксперимента 80
3.3. Сравнение расчетов масловоздушной среды в маслокартере с экспериментальными данными 88
Выводы по главе 3 95
ГЛАВА 4. Анализ наличия дефектов и разработка мероприятий по их устранению в маслокартере авиационного ГТД 96
4.1. Смазка и охлаждение подшипников в ГТД 96
4.2. Постановка задачи 97
4.3. Результаты расчетов 102
Выводы по главе 4 110
Заключение 111
Список сокращений и условных обозначений 112
Список литературы 114
- Анализ существующих схем работоспособных опор
- Физико-математическая модель
- Методика получения экспериментальных данных
- Смазка и охлаждение подшипников в ГТД
Введение к работе
Актуальность работы
При разработке современных авиационных двигателей наряду с формированием конструктивного облика проточной части, необходимо обращать особое внимание на проектирование опор роторов, отвечающих всем требованиям для перспективных авиационных газотурбинных двигателей.
Непрерывное совершенствование двигателей летательных аппаратов диктует тенденцию увеличения ресурса, снижения массы и габаритов авиационного двигателя. Ресурс двигателя в значительной степени зависит от ресурса подшипников, а также маслосистемы в целом. В свою очередь, ресурс подшипников напрямую зависит от качества смазывания и степени охлаждения элементов подшипника. Поэтому для обеспечения благоприятных условий работы подшипника необходимо подавать достаточное количество масла для смазки и охлаждения. С другой стороны ужесточающиеся требования к массогабаритным и эксплуатационным характеристикам двигателя требуют уменьшения размеров маслосистемы и количества масла, используемого для смазки и охлаждения подшипников при увеличении их ресурса.
В идеальной опоре подаваемое масло выполняет функцию смазки и охлаждения, после чего сразу попадает в зону откачки и откачивается из полости маслокартера. Количество масла, находящегося в идеальной опоре должно быть минимальным. В реальной конструкции не весь объём жидкости, подающийся в полость маслокартера, немедленно удаляется из полости. Причиной этому может стать несколько факторов: недостаточная производительность откачивающих систем, нерациональный выбор геометрии маслокартера или неправильно подобранный объём полости.
В настоящее время проектирование масляных полостей опор ГТД осуществляется на базе опыта предшествующих разработок, а работоспособность конструкции отрабатывается в процессе длительных доводочных испытаний. В России основные требования по проектированию масляных полостей опор ГТД изложены в ОСТ 1 00969-80 «Системы масляные авиационных ГТД». Однако в стандарте не описаны пути и методы устранения недостатков проектирования, что, в некоторых случаях, приводит к дефектам, которые возможно устранить только путем длительных доводочных испытаний. Данный подход приводит к серьёзным временным и финансовым затратам. При этом ситуацию осложняет отсутствие современных инструментов анализа распределения масла в полости опоры.
Для устранения наиболее часто встречающихся дефектов, а также уменьшения массы и сокращения сроков доводки изделия необходима разработка способа предупреждения дефектов с использованием верифицированного инст-
румента, позволяющего спроектировать маслосистему с оптимальными массо-габаритными характеристиками на основе численного моделирования.
Цель работы: оценка возможности повышения эффективности проектирования и последующей доводки масляных полостей опор ГТД путем использования метода численного моделирования двухфазного течения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
- выполнить анализ существующих методов численного моделирова
ния и экспериментальных исследований двухфазного течения применительно к
опоре ГТД;
на основе упрощенной геометрии маслокартера разработать способ предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД путем использования численного моделирования двухфазного течения;
с помощью разработанного способа исследовать распределение объема жидкости в имитаторе опоры ГТД, а также экспериментально установить зависимости изменения стационарного объема масла от режимов работы двигателя и параметров маслосистемы;
провести гидродинамический анализ двухфазного течения в различных вариантах маслокартера авиационного ГТД с целью повышения надежности маслосистемы путем определения возможных дефектов.
Научная новизна
- Доказана возможность сокращения сроков и объемов доводки мас
ляных полостей опор ГТД за счет использования численного моделирования
двухфазного течения.
Получено критериальное уравнение, позволяющее оценить объем масла, постоянно присутствующий в опоре во время работы двигателя.
Разработан способ предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД путем использования численного моделирования двухфазного течения.
На защиту выносятся:
способ предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД путем использования численного моделирования двухфазного течения.
критериальное уравнение оценки объема масла, постоянно присутствующего в опоре во время работы ГТД;
экспериментально определенные зависимости изменения стационарного объема масла в опоре от параметров маслосистемы и режимов работы двигателя.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
на основе способа предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД разработана методика численного моделирования двухфазного течения в полости опоры, которая может быть применена на начальном этапе проектирования опор ГТД с целью предупреждения дефектов и сокращения длительных доводочных испытаний;
результаты численного моделирования двухфазного течения показывают распределение масла и масловоздушной смеси в объеме маслокартера опоры ГТД, что позволяет корректировать конструкцию опоры, начиная с ранних этапов проектирования.
Достоверность полученных результатов определяется экспериментальными исследованиями с применением сертифицированного измерительного оборудования, корректным использованием методов и средств численного моделирования, соответствием результатов расчетов экспериментальным данным.
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены на международной конференции «Авиация и Космонавтика-2012» (МАИ, г. Москва, 2012 г.), на 11-й международной научно-технической конференции «Климовские чтения-2013» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.), на 12-й международной конференции «Авиация и Космонавтика-2013» (МАИ, г. Москва, 2013 г.), на всероссийской пользовательской конференции «ANSYS 2014» (г. Москва, 2014 г.).
Личный вклад автора
Автором разработан и верифицирован способ предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД путем использования численного моделирования двухфазного течения, проведены все расчетные и экспериментальные исследования ряда маслокартеров, выполнено обобщение результатов и сформулированы выводы по работе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и 4 тезисов докладов.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Полный объем диссертации составляет 128 страниц, которые содержат 77 рисунка, 82 наименования литературы, три приложения.
Анализ существующих схем работоспособных опор
К преимуществам упруго-демпферных опор можно отнести возможность самоустановки опоры в процессе работы, возможность некоторого демпфирования передаваемых усилий, меньшую чувствительность к температурным градиентам. Недостатки опор данного типа – относительная сложность конструкции, ограничение использования из-за гибкости [12]. Проявление динамических явлений в таких опорах требует их доводки в процессе разработки. В опорах роторов современных газотурбинных двигателей нашли широкое применение гидравлические демпферы – дроссельные и гидродинамические, где в качестве рабочей жидкости используется смазка, применяемая для подшипников качения [13]. Перспективными для опор роторов ГТД являются гидродинамические демпферы с различными упругими элементами, наиболее полно отвечающие вышеперечисленным требованиям [9].
Демпферные опоры отличаются от упругодемпферных отсутствием упругого элемента в конструкции [14].
Опоры межроторного типа не нуждаются в прямой связи с корпусами двигателя. Они передают нагрузку на силовые корпуса через тот ротор, на который опираются. Опоры этого типа наиболее компактны, но требуют серьезной конструктивной отработки и доводки. Они имеют самую сложную систему подачи и отвода масла к подшипнику – детали систем подвода и отвода масла размещаются во вращающихся валах [15].
Использование той или иной схемы опоры определяется типом вала (жесткий или гибкий) и общей силовой схемой двигателя. В авиационных двигателях чаще всего используются опоры межроторного типа, демпферные и упруго-демпферные опоры. Упругие и демпфирующие элементы входят в состав корпуса подшипника. Жесткостные характеристики исследовались как иностранными специалистами [16,17], так и Российскими учеными [18, 19]. Конструктивный вид силовой части определяют нагрузки, действующие на узел опоры на рабочих условиях, и форма проточной части узла.
В зависимости от характера возникновения нагрузки, воспринимаемой опорой можно разделить на: Двигательные, обусловленные конструкцией и процессами, происходящими в двигателе при его работе: от массы ротора, приходящейся на опору; от центробежных сил вращающегося ротора с учетом дисбалансов; от механических колебаний ротора, передающихся на опору, с частотами, кратными частоте вращения ротора; от неравномерного нагрева вала, подшипника, корпусов и связанного с этим дополнительного взаимодействия элементов подшипника. Самолетные, возникающие при изменении величины или направления скорости полета и обусловленные эволюциями самолета. Исходя из нагрузок, действующих на узел опоры, подбирается количество стоек и их необходимые размеры. Подшипники опор ГТД испытывают высокие нагрузки в условиях повешенных температур и требуют для обеспечения своей работоспособности надежного охлаждения и смазывания. Масло отводит тепло, уносит продукты изнашивания с трущихся поверхностей, уменьшает трение и изнашивание деталей [20, 21]. Маслосистема опоры выполняет следующие функции: 1) обеспечивает подачу требуемого количества масла к трущимся поверхностям во всех возможных эксплуатационных условиях на всех режимах работы двигателя; 2) передает во внешнюю среду тепло, получаемое маслом вследствие трения и нагрева горячими частями двигателя; 3) удаляет твердые частицы, образующиеся в результате разложения масла и при износе трущихся элементов; 4) сигнализирует о возникновении дефектной работы трущихся элементов. Чаще всего на ГТД используются циркуляционные системы смазки [22]. В этих системах масло движется по замкнутому контуру: после поступления на смазываемые поверхности оно собирается и остается в системе для повторного многократного использования. Следовательно, при проектировании опоры необходимо проработать не только систему подачи масла, но и систему его откачки. Маслосистема опоры состоит из четырех частей: системы подачи масла, форсунки, системы откачки масла и системы суфлирования [23, 24]. Исходя из маслосистемы двигателя, определяется количество и диаметры труб подвода и откачки масла. В зависимости от расположения масляных коммуникаций на наружном корпусе двигателя и расположения стоек определяется схема расположения труб подвода и труб суфлирования масла. Схема откачки масла определяется в зависимости от типа ГТД (авиационный гражданский, авиационный военный, наземный и т.п.). Как правило, в нижней части (нижней стойке) располагается труба откачки. В ГТД наземного и авиационного типа, за исключением двигателей для маневренных самолетов, труба откачки единственная. Для маневренных самолетов внутри маслокартера устанавливается откачивающий маслонасос способный удалять масло при любых эволюциях самолета. В процессе работы вращающиеся элементы двигателя вспенивают масло, поэтому, как правило, диаметры труб откачки масла значительно превышают диаметры труб подачи масла.
Для удаления воздуха, прорывающегося через уплотнения масляных полостей из газовоздушных полостей с повышенным давлением, производится суфлирование масляных полостей. Все масляные полости сообщаются между собой, и посредством суфлера газ выводится в атмосферу.
Для контроля над техническим состоянием подшипников и выявления наличия стружки в масле в маслосистеме предусмотрены специальные датчики.
При разработке современных авиационных двигателей особое внимание уделяется увеличению ресурса, снижению массы и габаритов двигателя. Ресурс двигателя в значительной степени зависит от ресурса подшипников опор. В свою очередь, ресурс подшипников напрямую зависит от качества смазывания и степени охлаждения элементов подшипника. Поэтому для обеспечения благоприятных условий работы подшипника необходимо подавать достаточное количество масла для смазки и охлаждения.
С другой стороны ужесточающиеся требования к массогабаритным и эксплуатационным характеристикам двигателя диктуют направление уменьшения размеров масляной системы и количества масла, используемого для смазки и охлаждения подшипников при увеличении их ресурса. В настоящее время, проектирование масляных картеров осуществляется на основании успешного предыдущего опыта аналогичных работ, а функционирование спроектированной масляной системы проверяется только в процессе испытаний двигателя. Решение возникающих проблем в этом случае приводит к серьёзным временным и финансовым затратам. При этом ситуацию осложняет отсутствие современных инструментов анализа процессов в масляных полостях.
Для того чтобы одновременно увеличить ресурс подшипника, снизить массу и габариты масляной системы требуется современный инструмент анализа, позволяющий моделировать течение двухфазной среды масло/воздух в масляной системе двигателя [25].
Физико-математическая модель
Степень смачиваемости стенок или эффект адгезии моделируется при помощи задания соответствующего граничного условия - угла смачиваемости. На стенке, где необходимо учесть адгезию, задается угол между поверхностью раздела и стенкой (рисунок 2.9). Таким образом, чем меньше угол, тем лучше смачивается стенка. Данные по углу смачиваемости зависят от материала стенки и свойств жидкости и могут быть получены экспериментально. Рисунок 2.9 – Граничное условие для моделирования эффекта смачиваемости Для моделирования турбулентности и приемлемого описания пограничного слоя использовалась модель турбулентности k – . Модель с двумя уравнениями для k и для , впервые предложенная Ф. Хэрлоу и П. Накоямой (1968) [62]. В рамках модели решению подлежит система (для двумерного течения несжимаемой жидкости): Здесь надчерки означают, что указанные параметры являются осредненными по времени. Кроме того, молекулярной вязкостью предлагается пренебречь, так как она много меньше (в тысячу раз и более) по сравнению с турбулентной вязкостью [62,63,64].
Записанная система уравнений является упрощенной в связи с использованием допущений, соответствующих теории пограничного слоя. Поэтому в систему не включены члены, определяющие дополнительные нормальные напряжения. Вместе с тем, отметим, что турбулентные нормальные напряжения по существу означают пульсации давления, которые могут оказаться существенными в отношении аэродинамического шума. В то же время следует отметить, что применение моделей высокого уровня требует осторожности, т. к. необходим правильный подбор констант.
Расчетная модель масляного картера – полость с вращающимся валом представлена на рисунке 2.10. Условия работы модуля были следующими: в полость 1 с валом 2, вращающимся со скоростью 10000 об/мин, подается вода через генератор пленки 3, при этом смесь воды и воздуха откачивается через сливной канал 4 с постоянным объемным расходом, через дренажное отверстие 5 засасывается воздух.
Для одной из расчетных точек были выполнены расчеты в стационарной постановке на гексаэдральной сетках размерностью 2,74; 3,81; 21,94 млн. ячеек. Результаты представлены в таблице 2.1.
Из таблицы 2.1 следует, что использование подробных сеток слабо влияет на результаты расчетов (значение VR, полученное на сетке 1 отличается от значения VR, полученного на сетке 3 на 2,2%). График сходимости по сетке для некоторой расчетной точки представлен на рисунке 2.12. Дальнейшие расчёты проводились на сетке 1. Размерность расчетной сетки представлена на рисунке 2.11.
График сеточной сходимости Для однозначного выбора модели многофазного течения была проведена серия расчетов на моделях VOF (Fluent), Homogeneous (CFX) и Inhomogeneous (CFX). Результаты расчетов можно видеть в таблице 2.2 и на рисунке 2.13.
Из таблицы 2.2 и рисунка 2.13 видно, что наилучшую сходимость с экспериментом показала модель VOF, реализованная в программном пакете NASYS Fluent. Основные расчеты выполнялись в ПК ANSYS Fluent - 14.5, при помощи Эйлеровой гомогенной модели мультифазного течения VOF с учетом сил поверхностного натяжения (модель CSS) и массовых сил. Задачи решались в несжимаемой стационарной постановке. В расчетах применялись модель турбулентности realizable k-, неявная схема дискретизации по времени для уравнения сохранения объемной доли. Схема расположения граничных условий представлена на рисунке 2.14.
Расчетные и экспериментальные данные для точек vl-v4 и v5-v8 Вследствие того, что в полость маслокартера, помимо масла, попадает большое количество воздуха, необходимое для наддува уплотнений, а также думисных полостей в реально работающих двигателях коэффициент откачки SR 3. На рисунке 2.15 для реальных двигателей наблюдается хорошая сходимость с экспериментальными данными, что свидетельствует о том, что предложенный подход к численному моделированию имеет допустимый для практического применения степень точности полученных результатов
Визуализация процесса течения представлена на рисунках 2.16 и 2.17. Эффект диффузии объемной доли является неизбежным следствием использования метода контрольного объема для решения уравнения сохранения объемной доли. Поэтому в расчетах поверхность раздела, как правило, «размазана» по нескольким ячейкам, на локальных участках расчетной области можно наблюдать «водяной туман» (рассеянную объемную долю). Для того чтобы более детально отразить это явление, в работе представлены изоповерхности объемной доли воды, построенные для значений Vfwater=0,9 и Vfwater=0,3.
Из представленных результатов видно, что проведенные расчетные исследования подтверждают экспериментальные данные в части влияния коэффициента откачки SR и влияния расхода на входе в камеру. Увеличение коэффициента откачки улучшает характеристики откачки, но большие SR не приносят пользы, поскольку при больших значениях коэффициента откачки откачивающий насос лишь захватывает больше воздуха, следовательно увеличивается объемный расход воздуха, захватываемого в отводную трубу. В части влияния расхода воды на входе в камеру можно сказать, что результаты испытаний и проведенные расчетные исследования подтверждают, что при большем расходе в маслосборнике и пленке на стенке находится больше жидкости. В некоторых случаях при большем расходе увеличивается количество жидкости в основном потоке. 2.4. Описание разработанного способа предупреждения дефектов в масляных полостях опор ГТД
Существующие на сегодняшний день методы проектирования масляных полостей опор ГТД не учитывают распределение масла в полости маслокартера. На практике незнание подобного рода явлений может привести к дефектам, до настоящего времени, устраняемых только с помощью длительных доводочных испытаний. К таким дефектам могут быть отнесены различного рода течи масла из полости маслокартера, а также образование застойных зон. Одним из решений данной проблемы может стать внедрение численного моделирования в этап проектирования узла опоры ГТД (рисунок 2.18) для изучения распределения масла в полости маслокартера и предупреждения возможных дефектов.
Методика получения экспериментальных данных
Так же модуль снабжен трубами суфлирования 6 и трубой откачки масловоздушной смеси 7. Лабиринтные уплотнения устанавливались с монтажным радиальным зазором 0,17 мм. Воздух на наддув лабиринтных уплотнений подавался через отверстия диаметром 9,5 мм для лабиринтов 3 и 4. Воздух для наддува лабиринта 4 попадал в успокоительную полость, после чего через 8 отверстий диаметром 2 мм попадал на лабиринт. Масло для смазки подшипника, а также для создания основного объема масла подавалось из общего бака по нескольким магистралям. Магистраль подачи масла для создания основного объема разводилась на две и присоединялась к двум форсункам диаметром 1,8 мм.
Магистраль подачи масла на смазку и охлаждения подшипника присоединялась к форсунке диаметром 0,8 мм. Схема выглядит следующим образом: через форсунки, расположенные в наружном корпусе 5, подается масло под распределительную гайку и непосредственно под сепаратор шарикового технологического подшипника. Для охлаждения и смазки подшипника использовалось только масло, подаваемое под сепаратор, так как в нижней обойме подшипника отсутствовали отверстия для подачи масла через вал. Подача масла под распределительную гайку была использована для обеспечения необходимого объема жидкости, присутствующего в масляном картере. Через штуцеры 1 и 2 осуществлялся наддув лабиринтных уплотнений постоянным расходом воздуха, через окна 3 и 4 осуществлялся сброс воздуха в соседние полости. Суфлирование масляного картера осуществлялось через штуцер 6, откачка масловоздушной смеси производилась через штуцер 7. Схема получения экспериментальных данных разделена на несколько этапов и выглядит следующим образом: на первом этапе включается подача воздуха на наддув лабиринтных уплотнений, суфлирование и насос откачки. Далее включается подача масла и производится выход на режим по оборотам ротора. После работы в течение 5 мин на каждом режиме, одновременно перекрывается подача масла в маслокартер, слив масла и суфлирование воздуха картера технологического подшипника в течение 1 секунды, останавливается ротор модуля в течение 10 секунд. Отключается подача масла и воздуха к картеру опытного подшипника. Подача воздуха на наддув лабиринтных уплотнений не прекращается.
Сливается масло из масляного картера технологической опоры, после этого отключается подача воздуха на наддув лабиринтных уплотнений. Слитое масло взвешивается с точностью до 0,1 граммов. Упрощения геометрической модели масляного картера состояли в следующем: 1) В удалении конструкторских фасок и скруглений для упрощения построения расчетной сетки. 2) Лабиринтные уплотнения моделировались отдельно от основной модели, а данные, полученные при их расчете, использовались в качестве граничных условий в основной модели. 3) Не моделировались магистрали подачи масла. Вышеуказанные упрощения были сделаны для максимального облегчения расчетной сетки, так как задачи расчета многофазной среды требуют значительных затрат вычислительных ресурсов.
В качестве граничных условий были использованы экспериментальные данные, описанные в предыдущей главе (частота вращения ротора, расход и давление масла на входе, давление воздуха на входе, температура расла). Расчетные точки представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1 – Расчетные точки
Номер режима Частотавращенияротора,об/мин Суммарныйрасходмасла навходе,л/мин Температурамасла,подаваемогона вход, оС Температуравоздуха,подаваемогона вход, оС Давление воздухана входе, кгс/см2 Величина осевой силы, Н
Для решения задачи была выбрана полиэдрическая сетка (рисунок 3.13), выполненная в программном комплексе Ansys FLUENT v.14.5 из тетраэдрической сетки, построенной в Ansys ICEM CFD v.14.5. Полиэдрическая сетка обладает рядом преимуществ по отношению к тетраэдрической сетке:
1. полиэдрическая сетка позволяет сэкономить значительное количество ячеек сетки, что позволит существенно сократить время расчета;
2. полиэдрическая сетка обладает лучшей сходимостью по сравнению с тетраэдрической сеткой за счет большего количества граней и лучшей интерполяции;
Недостатком подобной сетки следует отметить то, что преобразование из tetra сетки занимает достаточно большое количество времени и требует хорошей производительности персонального компьютера.
Сетка была разделена на три домена (рисунок 3.13), соединенных между собой интерфейсом типа «Matching». Размерность расчетной сетки составила 20 млн. узлов. Следует отметить, что задача моделировалась в постановке 360о, что позволило наиболее подробно исследовать предполагаемую область.
На начальном этапе моделирования не проводилось анализа влияния сеточной сходимости, поскольку, как уже говорилось ранее, подробные сетки слабо влияют на сходимость решения. Поэтому данная расчетная сетка представляет собой компромисс между качеством дискретизации расчетной области и вычислительной стоимостью, что позволит сэкономить ресурсы при моделировании полной расчетной области в 360о для получения необходимого решения. Задача решалась в стационарной постановке с учетом гравитационных сил.
Для моделирования пограничного слоя в работе использовалась Realizable k- модель турбулентности. По сравнению со стандартной версией k- модели, в Realizable k- модели вводится улучшенный способ расчета турбулентной вязкости. Realizable k- модель более точно предсказывает распределение скорости диссипации плоских круглых струй, а также обеспечивает лучшее предсказание характеристик вращающихся потоков и пограничных слоев, подверженных сильным градиентам давления [67,68]. Так же, для описания взаимодействия между фазами на границе их раздела вводился коэффициент поверхностного натяжения, взятый из работы [34]. Авторами работы была дана рекомендация по назначению данного коэффициента, который для масла составляет 0,03. При испытаниях использовалось масло ИПМ-10 [69], фактические свойства которого были определены специалистами НПО «Сатурн» после окончания испытаний. Были найдены значения плотности и вязкости при температурах 20, 50 и 100 оС. По найденным значениям построены зависимости, представленные на рисунке 3.14 и рисунке 3.15. В зависимости от температуры масла, были найдены значения плотности и вязкости для каждой расчетной точки. Свойства воздуха были взяты из библиотеки материалов, имеющейся в пакете Ansys FLUENT 14.5.
Смазка и охлаждение подшипников в ГТД
Дополнительно с помощью проводился анализ первого варианта маслокартера на предмет наличия недостатков конструкции, способных привести к серьезным дефектам. Недостатком данной конструкции является возможность попадания масла в полость перед контактным уплотнением. На рисунке 4.10 показано распределение масла и воздуха в различных частях конструкции. Как видно из рисунка, в полости перед контактным уплотнением присутствует некоторое количество масла, что может отрицательно сказаться на переходных режимах двигателя.
Объемная доля воздуха - 20 о Объемная доля воздуха - 5 Ь Для устранения данного недостатка рекомендовано выполнение контактной втулки под углом 5о и выполнения скоса в отверстиях, выполненных в цапфе (рисунок 4.11). Далее был проведен расчет гидродинамики двухфазного течения в маслокартере с внедренными мероприятиями, показанными на рисунке 4.11. По результатам расчетов можно сделать вывод об отсутствии масла с полости перед контактным уплотнением (рисунок 4.12). Для второго варианта конструкции маслокартера авиационного ГТД производилась оценка объема масла, стационарно присутствующего во время работы изделия. На начальном этапе для предварительной оценки объема масла, стационарно присутствующего во время работы изделия, рекомендуется использование соотношению 3.2, полученной в главе 3. Значение времени разрушения масляной пены примем равным = 38 с, значение прокачки масла было взято из таблицы 4.2, объем исследуемой конструкции маслокартера составил V = 5,510-4 м3. Согласно соотношению 3.2 объем масла, стационарно присутствующий во время работы изделия составил VR = 1,310-4 м3. Относительный свободный объем маслокартера составил . Это свидетельствует о том, что 25% объема маслокартера заняло маслом, и существует большая вероятность образования дефектов, связанных с течью масла через уплотнения, а также ухудшением теплового состояния маслокартера. В работе [82] был проведен анализ влияния различных параметров на температуру подшипника. Был сделан вывод о том, что наибольшее негативное влияние на температурное состояние подшипника оказывает избыточный объем стационарно присутствующего масла в полости маслокартера. Для более точного определения объема масла, стационарно присутствующего во время работы изделия, а также определения проблемных мест в имеющейся конструкции, необходимо дополнительно провести серию 3D гидрогазодинамических расчетов.
Результатом расчетов являлось значение стационарного объема масла VR. На рисунке 4.13 изображено распределение масла и масловоздушной смеси в полости слива масла из маслокартера.
По результатам численного моделирования, объем масла, стационарно присутствующий во время работы, составил VR = 1,610-4 м3, что на 20% больше предсказанного по соотношению 3.2. Относительный свободный объем маслокартера составил . Благодаря проведению 3D расчета удалось определить проблемные места в конструкции. Как видно из рисунка 4.13, в полости слива 1, а также в соседней полости сброса 2 присутствует достаточно большое количество масла, что говорит о том, что система удаления масла из полости сброса 2 нуждается в доработке. Переполнение картера вызывает разбрызгивание масла и его перемешивание, что приводит к его насыщению воздухом. Насыщение масла воздухом повышает противодавление в картере. Также при сильном переполнении картера большое количество масла может попадать в систему суфлирования. Для устранения данного недостатка рекомендуется выполнение внутренней поверхности маслокартера с уклоном, что должно увеличить эффективность удаления масла из вышеуказанной полости (рисунок 4.14).
Далее был проведен расчет гидродинамики двухфазного течения в маслокартере с внедренными мероприятиями, показанными на рисунке 4.14. По результатам расчетов можно сделать вывод о том, что объем масла VR, благодаря введенным мероприятиям, уменьшился на 7% (VR = 1,5-04 м3), тем самым улучшился отвод масла из полости маслокартера (рисунок 4.15).
Благодаря 3D численному моделированию двухфазного течения удалось проанализировать два варианта конструкции авиационного ГТД, определить недостатки и предложить мероприятия по их устранению. Данный подход к численному моделированию предлагается использовать на этапе проектирования и доводки авиационного ГТД.
1) В соответствии с разработанным способом предупреждения дефектов на основе численного моделирования двухфазного течения были проанализированы два варианта конструкции маслокартера авиационного ГТД, определены недостатки и предложены мероприятия по их устранению. Для первого варианта конструкции исключена область со скоплением масла, для второго варианта – уменьшен стационарный объем масла, присутствующий в картере на 7%, что должно снизить теплонапряженность маслокартера; 2) Значения прокачки масла, известные для первой геометрии маслокартера, согласуются с результатами численного моделирования. 3) Внедрение численного моделирования на этапе проектирования и доводки узла позволит сократить временные затраты на создание узла путем предупреждения дефектов, до настоящего времени, устраняемых только с помощью длительных доводочных испытаний (течи масла из полости маслокартера, застойные зоны).