Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы проектирования системы внутреннего воздухоснабжения авиационного двигателя и уплотнения как её части 15
1.1 Определение системы внутреннего воздухоснабжения 15
1.2 Основные функции и классификация систем внутреннего воздухоснабжения
1.2.1 Охлаждение деталей горячей части двигателя 18
1.2.2 Наддув уплотнений масляных полостей и охлаждение опор 19
1.2.3 Разгрузка радиально-упорных подшипников от осевой составляющей силы .20
1.2.4 Герметизация турбины низкого давления 20
1.2.5 Система управления радиальными зазорами в компрессоре и турбине 21
1.2.6 Обеспечение работы противообледенительной системы 21
1.3 О необходимости интегрального представления СВВС на примере
конструкции двигателя НК-93 22
1.3.1 Охлаждение турбины высокого давления 23
1.3.2 Охлаждение турбины низкого давления 24
1.3.3 Охлаждение опоры турбины 25
1.3.4 Охлаждение турбины винтовентилятора 25
1.3.5 Разгрузка от действия осевой силы 26
1.3.6 Наддув уплотнений опоры 26
1.3.7 Интегральное представление и взаимовлияние элементов
1.4 Краткий анализ конструкций СВВС газотурбинных двигателей 28
1.5 Краткий анализ основных типов уплотнений ГТД
1.5.1 Лабиринтное уплотнение 33
1.5.2 Торцовые контактные уплотнения 35
1.5.3 Радиально-торцовые контактные уплотнения
1.5.4 Радиально-торцовое уплотнение 38
1.5.5 Щёточное уплотнение 39
1.5.6 Торцовое бесконтактное уплотнение 41
1.6 Постановка задач исследования 43
Глава 2 Алгоритм расчёта параметров системы внутреннего воздухоснабжения 45
2.1 Расчёт СВВС: основные задачи, исходные данные, методы расчёта, результаты 45
2.2 Упрощённое представление СВВС 48
2.3 Алгоритм расчёта параметров СВВС и возможности его применения . 53
2.4 Типовые элементы СВВС и их классификация
2.4.1 Классификация элементов СВВС по закономерностям процессов теплообмена 59
2.4.2 Классификация элементов СВВС по закономерностям течения воздуха 61
2.4.3 Типовые элементы СВВС 2.5 Включение в расчётную модель уплотнений различных типов 66
2.6 Процессы теплообмена в каналах СВВС 68
2.7 Выводы по главе 71
Глава 3 Алгоритм оценки влияния элементов СВВС на параметры ГТД 73
3.1 Анализ влияния отбора воздуха от промежуточных ступеней компрессора на параметры ТРДД . 74
3.2 Приближенный метод расчёта влияния отбора воздуха на параметры двигателя 78
3.3 Оценка влияния параметров уплотнения на параметры эффективности двигателя 82
3.4 Выбор типа и параметров уплотнений на основе расчёта параметров СВВС ГТД 86
3.5 Методика проектирования уплотнений в составе СВВС ГТД 94
3.5 Выводы по главе
Глава 4 Оценка влияния уплотнений различных систем на параметры СВВС и термодинамические параметры ГТД 99
4.1 Расчёт коэффициентов гидравлического сопротивления уплотнений. 99
4.1.1 О способах расчёта утечки через лабиринтное уплотнение 99
4.1.2 Определение коэффициента гидравлического сопротивления лабиринтного уплотнения 103
4.1.3 Теоретические основы проектирования ТГДУ 107
4.1.4 Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления ТГДУ 114
4.1.5 Теоретические основы проектирования ТГСУ 117
4.1.6 Расчет коэффициента гидравлического сопротивления ТГСУ...124
4.1.7 Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления ТГДУ 125
4.1.8 Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления щёточного уплотнения 1 4.2 Исследование уплотнения в составе системы разгрузки от действия осевой силы ТРДД. 131
4.3 Исследование уплотнения в составе системы герметизации турбины ТРДД 134
4.4 Исследование уплотнения за компрессором ТРДД 141
4.5 Выводы по главе 146
Заключение 147
Библиографический список..
- Герметизация турбины низкого давления
- Алгоритм расчёта параметров СВВС и возможности его применения
- Оценка влияния параметров уплотнения на параметры эффективности двигателя
- Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления ТГДУ
Введение к работе
Актуальность темы. Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) сегодня -это отражение передовых достижений научно-технической мысли в области газовой динамики, теплообмена, теории горения, механики напряжённо-деформированного состояния, надёжности и других. Широкое использование ГТД в технике предъявляет особые требования к системам двигателя, обеспечивающим его надёжную работу: охлаждения элементов горячей части, наддува уплотнений масляных полостей и охлаждения опор, разгрузки от действия осевой силы, герметизации узлов, управления радиальными зазорами в турбокомпрессоре, противообледенительной и другим. У этих систем есть общая черта - они используют воздух, отбираемый от рабочего процесса двигателя. Эти системы находятся в непрерывном тепловом, механическом или газодинамическом взаимодействии, и все они в своём составе содержат уплотнения. Поэтому целесообразно представление этих систем в качестве компонентов единой системы ГТД - системы внутреннего воздухоснабжения (СВВС).
В авиационном двигателестроении широко применяется системный подход, при котором в качестве сложной системы высшего уровня выступает двигатель, в ходе декомпозиции разделяемый на подсистемы более низких уровней, одна из которых -СВВС, и выделяются функциональные связи между составляющими системы. С точки зрения такого подхода, СВВС выступает в роли объекта, поскольку реализует конкретные действия - охлаждение деталей, герметизацию полостей и другие, а уплотнение -как элемент объекта, поскольку создаёт полезный эффект только в составе объекта. Создание методики проектирования уплотнений в составе СВВС подразумевает выявление вертикальных связей между объектами в сложной системе «газотурбинный двигатель» и горизонтальных связей между элементами в составе объекта «СВВС». Поэтому важной и актуальной задачей является разработка такой методики и её реализация в виде комплекса программ, что позволит создать научно-технический задел для дальнейшего совершенствования конструкций авиационных двигателей.
Целью работы является повышение эффективности авиационного газотурбинного двигателя и снижение сроков и затрат на его разработку за счёт создания методики проектирования уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения.
Объектом исследования являются процессы в системе внутреннего воздухоснабжения авиационного двигателя.
Предметом исследования является взаимовлияние системы внутреннего воздухоснабжения и уплотнений различных типов.
На основании выбранной цели были поставлены следующие задачи исследования:
усовершенствование математической модели СВВС авиационного двигателя путём учёта характеристик входящих в неё уплотнений различных типов;
анализ влияния параметров уплотнений СВВС на термодинамические параметры авиационного двигателя и параметры системы;
создание методики проектирования уплотнений в составе СВВС авиационного ГТД с возможностью её интеграции в САПР двигателя;
проведение расчётных исследований существующих конструкций уплотнений и СВВС ГТД.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: методы математического анализа, расчёта гидравлических систем, теории теплообмена, теории ГТД, метод конечных элементов. В качестве инструментов решения задач использованы САПР «NX», «ANSYS», «FLUENT», «CFX», интегрирующая среда «PATRAN», а также языки программирования среднего уровня и языки сценариев для автоматизации разработанных алгоритмов и обмена данными между компонентами.
Научной новизной обладают следующие результаты диссертационной работы:
усовершенствованная математическая модель СВВС ГТД, учитывающая в матрице гидравлических сопротивлений полученные аналитические зависимости для уплотнений различных типов, и позволяющая исследовать взаимное влияние параметров уплотнений и системы;
методика проектирования уплотнений в составе СВВС ГТД, реализованная в виде алгоритмов расчёта параметров СВВС, расчёта влияния параметров уплотнения на термодинамические данные двигателя и выбора типа и конструкции уплотнения из условия обеспечения требований СВВС;
созданный комплекс программ, реализующий методику проектирования уплотнений и построенный на сочетании современных CAD/CAE-пакетов и разработанных программ, автоматизирующих передачу данных между отдельными компонентами комплекса и процесс расчёта;
результаты математического моделирования и исследования влияния уплотнений авиационных ТРДД с большой степенью двухконтурности на работу СВВС. Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью
принятых исходных предпосылок, физических законов, предложенного математического аппарата, сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными других исследователей.
Практическая ценность достигнутых результатов состоит в развитии методов проектирования уплотнений как элементов ГТД и исследовании процессов, протекающих в СВВС при изменении параметров уплотнений.
Разработанная методика и алгоритмы расчёта использованы для исследования уплотнений в составе ТРДД сверхвысокой степени двухконтурности и ТРДД большой тяги с подпорными ступенями без смешения потоков. Показано влияние уплотнений на работу СВВС двигателей и их термодинамические параметры. Предложенный подход внедрён в ОАО «Кузнецов», ООО «Самара-Авиагаз» и в учебный процесс СГАУ.
Апробация результатов работы была проведена на следующих научных конференциях и симпозиумах: XII международной научной конференции «Решетнёвские чтения» (Красноярск, 2008 г.); всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии: НМТ-2008» (Москва, 2008 г.); всероссийской молодёжной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2008 г.); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009 г.); научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж, 2010 г.); 3-й международной конференции «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2010); научно-практической конференции молодых специалистов и учёных OAK «Инновации в авиастроении» (Казань, 2010 г.); 6-й всероссийской конференции творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2010 г.); научно-технической конференции «Вибронадёжность и герметичность центробежных турбомашин» (Сумы, 2011 г.).
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 статьи в журналах из перечня ведущих периодических изданий, рекомендованных высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации, а также 9 публикаций в трудах научно-технических конференций. В ходе внедрения методики в учебный процесс СГАУ разработано учебное пособие по расчёту СВВС авиационного двигателя.
Структура диссертации: диссертационная работа состоит из перечня использованных обозначений, введения, четырёх глав, заключения и списка использованных источников из 130 наименований. Общий объём диссертации составляет 158 страниц, в том числе 81 рисунок и 4 таблицы.
Герметизация турбины низкого давления
Разгрузка от действия осевой силы на радиально-упорный подшипник (РУЛ) осуществляется организацией разгрузочных полостей. Нагрузка, действующая на РУЛ, должна быть в пределах 5-30 кН [21], однако и снижения её до нуля недопустимо - это может привести к смене направления вектора нагрузки, что значительно снижает ресурс РУП и усложняет его размещение в опоре. Разгрузочные полости можно классифицировать по месту расположения: в компрессоре (Р11Ф2-300), в турбине (GE90); по способу создания в полости требуемого давления: с помощью подвода воздуха в полость, с помощью суфлирования воздуха из полости.
Герметизация турбины НД призвана предотвратить утечки трактового газа во внутренние полости двигателя. Для этих целей может быть использован воздух различного давления и места отбора: от системы охлаждения турбины (GE-90), от компрессора (НК-93), утечки от других систем.
Система управления радиальными зазорами в турбокомпрессоре позволяет повысить экономичность двигателя, поскольку величины радиальных зазоров в лопаточных машинах влияют на их КПД. В качестве примера можно привести данные о влиянии изменения радиального зазора в компрессоре высокого давления на его КПД: увеличение радиального зазора по концам лопаток на 1 % приводит к снижению КПД КВД примерно на 1-2% и снижению запаса его газодинамической устойчивости на 2-3% [22, 23]. Весьма подробная классификация систем управления радиальными зазорами приведена в работах [22, 24, 25], поэтому перечислим лишь их основные виды: системы воздействия на статор в компрессоре (ПС-90), ТВД (GE-90, ПС-90), ТНД (GE-90, ПС-90, CFM-56 и др.); системы воздействия на ротор — обдув полотен дисков малым расходом воздуха (CF6-80 и PW4000) [22]. По способам управления системы могут быть разделены на активные и пассивные; по законам управления — на двухпозиционные, управляющие расходом воздуха по предустановленной модели, использующие обратную связь [26].
Воздух для работы ПОС (предотвращения обледенения кока, ВНА, приёмников температуры и давления на входе в двигатель) отбирается от КВД. Горячий воздух, проходящий через пустотелые ВНА, далее может быть использован для обогрева кока (SPEY25, Д-ЗОКУ, АЛ31Ф, НК-86 и др.). Для обогрева кока на двигателях без ВНА используется подвод через внутренние полости двигателя (Д-36, ПС-90). Существуют примеры переключения ступеней отбора воздуха на нужды ПОС в зависимости от режима работы двигателя (АЛ-31Ф, ПС-90).
Зачастую в конструкции двигателя системы, использующие «внутренний» воздух, не могут быть четко разделены на отдельные составляющие, проектирование которых может происходить независимо. Именно в таких случаях возникает необходимость создать некую интегральную модель, охватывающую все эти системы и их взаимовлияние— модель СВВС.
Охлаждение сопловых и рабочих лопаток ТВД производится двумя независимыми друг от друга потоками охлаждающего воздуха. На охлаждение 1СА воздух по каналам на периферии поступает в двухполостную лопатку, откуда выходит через перфорационные отверстия на спинке лопатки, образуя плёночное охлаждение, и через щели в выходной кромке образует конвективное охлаждение. Создание плёночного охлаждения на входной кромке сопловой лопатки и корытце производится воздухом, отбираемым от вторичной зоны КС. Часть воздуха из внутренней полости дефлектора 1СА струйным способом охлаждает поверхность трактовых полок и через отверстия сбрасывается в тракт за горло 1СА (рисунок 1.2).
На охлаждение РК ТВД воздух отбирается от вторичной зоны КС. Большая часть этого воздуха через аппарат закрутки идет на охлаждение рабочих лопаток, оставшаяся — через отверстия течет под ступицу диска ВД, омывает его тыльную сторону и сбрасывается в тракт через лабиринт У1; часть воздуха, охлаждающего диск, через лабиринт У2 идет на охлаждение
РК тнд.
тш Рисунок 1.2 — Схема участка СВВС двигателя НК-93 Утечка закомпрессорного воздуха используется для наддува межлабиринтной полости УЗ-У4, обеспечивая отсутствие расхода воздуха через лабиринт У4. Часть воздуха закомпрессорной утечки через лабиринты У5-У6 идет на охлаждение РК ТВД.
Бандажная полка 1РК охлаждается воздухом, отбираемым из периферийной зоны КС через отверстия в корпусе камеры. Через окна в статоре воздух поступает в полость над трактовым кольцом, охлаждает сотовые сегменты над РК ТВД и через отверстия сбрасывается в радиальный зазор, охлаждая бандажную полку и препятствуя перетеканию горячего газа над РК.
Для охлаждения ТНД используется воздух 12-й ступени компрессора, подаваемый по 4-м коллекторам ко входу в 2СА. Охлаждение является нерегулируемым, подвод охлаждающего воздуха в 2СА осуществляется через дефлектор и крышки, соединенные между собой в зоне отверстий, что снижает периметр неплотного соединения. Подвод воздуха к 2РК выполнен через аппарат закрутки с передней стороны диска, обеспечивающий минимальный перепад давления и утечки через лабиринты У7-У8-У9.
Воздух, протекающий через лабиринт У6, используется для охлаждения ротора НД. Охлаждение 2СА осуществляется конвективным способом, подвод осуществляется из кольцевой полости над дефлектором. Часть воздуха через отверстия в ножке дефлектора поступает во внутреннюю полость сопловой лопатки, течёт по каналам охлаждения и сбрасывается в тракт через щели в выходной кромке; часть воздуха через перфорированный дефлектор струйным способом натекает на внутреннюю стенку трактовых полок и через отверстия сбрасывается в тракт; оставшаяся часть воздуха через аппарат закрутки идет на охлаждение рабочего колеса. Охлаждение тыльной стороны диска НД осуществляется воздухом, проходящим через стойки опоры турбины.
Воздух на охлаждение опоры турбины отбирается за КНД, за средней опорой от ресивера над 1РНА КВД, и по двум патрубкам поступает к коллекторам над опорой, соединенным со стойками. Охлаждая силовые стойки, воздух поступает в полость опоры, откуда происходит его подача на охлаждение внутреннего корпуса и далее сброс в тракт за горло 2СА. Из полости опоры воздух также поступает в междиафрагменную полость, после чего через отверстия в двойных стенках труб (суфлирования, слива и подвода масла) сбрасывается в атмосферу. Оставшаяся часть воздуха поступает на охлаждение тыльной стороны диска ТНД. Часть воздуха через лабиринт У10 сбрасывается в газовый тракт, оставшаяся — охлаждает диск, идет к центру и через лабиринт У11 поступает в межлабиринтную полость, которая соединена с трактом за турбиной пятью трубопроводами.
Алгоритм расчёта параметров СВВС и возможности его применения
Для каналов сравнительно небольшой протяженности величина потерь на трение пренебрежимо мала по сравнению с местными потерями. Коэффициент местного сопротивления, зависящий от режима течения и геометрии канала, учитывает не только местные потери давления, возникающие на коротком участке непосредственно вблизи изменения геометрии канала, но и потери давления, связанные с дальнейшим выравниванием скоростей на выходном участке канала. Для различных типов каналов и режимов течения влияние числа Рейнольдса на коэффициент Большая часть формул, используемых в справочной литературе для определения , получена при сравнительно малых скоростях потока (М 0,3). Однако, согласно работе [98], большинством из этих зависимостей можно пользоваться и для больших дозвуковых скоростей потока (до М=0,8).
В общем случае коэффициент гидравлического сопротивления может быть определен как функция геометрических параметров и параметров потока: Зависимость, подобная (2.25), может быть получена экспериментально или аналитически с помощью методов расчета каждого конкретного типа уплотнения, что позволит в конечном итоге также определить суммарный коэффициент гидравлического сопротивления.
Итак, подведём итог сказанному выше: коэффициент гидравлического сопротивления, однозначно определяющий поведение уплотнения в расчётной схеме СВВС, может быть получен различными методами — на основе экспериментальных данных или расчётным путем, исходя из геометрии и параметров течения.
Далее будет показано, что весьма удобным в работе является метод, заключающийся в получении характеристики уплотнения в форме (2.26) расчётным путем с помощью специализированных методик или численных методов и дальнейший расчёт коэффициента в форме (2.26) для его использования в составе расчетной модели СВВС. При этом возможно получение зависимостей двух видов: упрощенных (функций только геометрических параметров) и полных (функций геометрических параметров и параметров потока). Использование последних приводит к усложнению процесса решения систем уравнений (2.4) — (2.6).
Как уже отмечалось ранее, при расчете параметров СВВС возникает необходимость решения совместной задачи определения газодинамических параметров воздушных потоков СВВС и расчёта теплового состояния элементов двигателя, образующих тракт системы и проточную часть ГТД.
Рассмотрим механизм температурного взаимодействия вторичного воздушного потока с элементами двигателя на примере лабиринтного уплотнения. Пусть в начальный момент времени t0 через уплотнение (рисунок 2.10, а) течет поток с расходом G0 ; давлением рвх0 и температурой Ttlx0 на входе в уплотнение, отличной от температуры стенки Tcm . При этом в уплотнении установился рабочий зазор 50 . В момент времени t0+At ; в результате интенсивного теплообмена (интенсивность теплообмена в лабиринтных уплотнениях по сравнению с гладкими каналами может быть больше в 2-8 раз, а в некоторых случаях в 10-15 раз [33]) из-за температурного расширения элементов уплотнения радиальный зазор 0 получит изменение А (5 , что приведет к изменению параметров потока. В свою очередь, изменение параметров потока оказывает влияние на температуру потока через лабиринт и параметры теплообмена, то есть задача может быть решена методом последовательных приближений с учётом процессов теплообмена.
При расчёте процессов теплообмена удобно пользоваться коэффициентом теплоотдачи а , характеризующим плотность теплового потока между теплоносителем и стенкой при разности температур в 1 градус. Для определения коэффициента теплоотдачи можно использовать подобие физических процессов. Критерий подобия, характеризующий процесс теплоотдачи у подобных явлений в сходной точке, и получаемый из дифференциального уравнения теплоотдачи, называют числом Нуссельта:
В настоящей главе рассмотрены основные вопросы расчета параметров СВВС ГТД, существующие методы и подходы к расчётам, их основные преимущества и недостатки. На примере одной из подсистем СВВС — системы управления радиальными зазорами в турбокомпрессоре — показано, что область решения поставленной задачи лежит на стыке нескольких физических дисциплин: газовой динамики, теплообмена и механики напряжённо-деформированного состояния твердых тел. Поэтому наиболее рациональный способ получения достоверного решения —- использование цикла последовательных приближений. Предложен алгоритм получения такого решения, а также основные компоненты его реализации. При этом показано, что целесообразно использовать упрощённое представление СВВС, что позволяет значительно сократить затраты на проведение расчётов, хотя возможно и применение численных методов для более достоверного моделирования процессов как в отдельных элементах СВВС, так и узлах двигателя в целом.
Основываясь на принятых допущениях, в случае одномерного представления СВВС и разбиения системы на отдельные элементарные каналы, закономерности движения воздуха и теплообмена в которых описываются однозначными зависимостями, может быть получена система уравнений, решение которой позволяет однозначно определить параметры СВВС в каждом из каналов системы.
Предложен алгоритм, использование которого позволяет включить в расчет СВВС уплотнения различных типов, если известны их экспериментальные характеристики или существуют специализированные расчетные методики, позволяющие их определить.
Для реализации цикла последовательных приближений, учитывающего взаимовлияние тепловых и газодинамических процессов в каналах СВВС, приведены основные критериальные уравнения, позволяющие определить коэффициенты теплоотдачи в принятых характерных каналах СВВС, а также ссылки на работы по теории теплообмена, где приводятся результаты многочисленных исследований по процессам теплообмена в других характерных каналах ГТД.
Результаты расчёта параметров СВВС могут быть использованы для определения теплового состояния двигателя в целом и отдельных его элементов, расчета изменения радиальных зазоров в турбокомпрессоре ГТД и, как будет показано далее, для оценки влияния параметров уплотнений СВВС на термодинамические параметры двигателя.
Оценка влияния параметров уплотнения на параметры эффективности двигателя
В газотурбинной технике широкое распространение получили сотовые лабиринтные уплотнения. Зависимость коэффициента расхода через сотовое уплотнение от безразмерного зазора 61 а ( а - длина стороны шестигранника сотового уплотнения), перепада давления Р\1рг и частоты вращения ротора п приведена в [119]. Графические зависимости из работ [118, 119] могут быть аппроксимированы функцией
При отсутствии экспериментальных данных она может использоваться для вычисления коэффициента гидравлического сопротивления сотового лабиринтного уплотнения. При этом погрешность аппроксимации не превышает 5%. На рисунке 4.3 показано сравнение графиков функции (4.20) и диаграммы, приведенной в работе [119]. Недостатком формулы (4.20) является то, что коэффициент расхода зависит от перепада давлений, что усложняет решение системы уравнений, описывающих состояние СВВС.
Из рисунка 4.5 видно, что коэффициент гидравлического сопротивления лабиринтного уплотнения, определенный по формулам (4.17)-(4.19) хорошо согласуется с результатами, полученными по методике из [98]. Также можно отметить, что в области малых относительных зазоров 5//г=0,02...0,05 %ш сотового уплотнения значительно выше; при 5/А 0,05 это отличие практически не проявляется.
Торцовое газодинамическое уплотнение (рисунок 4.6) состоит из вращающегося твердосплавного кольца, закрепленного на валу, и аксиально-подвижного углеграфитового кольца, размещенного внутри корпуса, предварительное поджатие которых осуществляется пружинами. На вращающемся кольце имеется напорный участок, на котором выполнены спиральные канавки, а также уплотнительный кольцевой поясок, отделяющий полость высокого давления от полости низкого давления. В качестве вторичных уплотнений используются резиновые уплотнительные кольца. Обычно от действия силовых и температурных нагрузок уплотнительный зазор имеет конусность (рисунок 4.7).
Торцовое газодинамическое уплотнение работает по принципу уравновешивания газостатических и газодинамических сил, действующих на аксиально-подвижное и вращающееся кольца (рисунок 4.8). При стоянке под действием газостатических сил и сил предварительного сжатия пружин уплотнительные кольца прижаты друг к другу. При этом утечки среды через уплотнение не происходит.
При вращении вала газ поступает в сужающиеся спиральные канавки и, встречая сопротивление уплотнительного пояска, сжимается, образуя зоны повышенного давления.
Давление в торцовой щели повышается, в результате чего аксиально-подвижное кольцо отодвигается от вращающегося кольца, образуя гарантированный зазор 0,002...0,005 мм. Таким образом, во время работы поверхности уплотнительных колец не контактируют друг с другом.
Правильно спроектированное торцовое газодинамическое уплотнение должно обладать гарантированной смазочной пленкой, которая в основном определяет его надёжность и герметичность. Неточно определённые характеристики смазочного слоя и, как следствие, определяющие динамику уплотнения параметры могут привести к существенным ошибкам при проектировании, значительным утечкам во время эксплуатации и преждевременному выходу уплотнения из строя.
Методы расчета [120] торцовых уплотнений основываются на совместном решении системы дифференциальных уравнений движения рабочего тела, неразрывности течения смазки, состояния и энергии, описывающих термодинамические процессы в тракте и изменение параметров движения системы. При анализе процессов из-за сложности исходных дифференциальных уравнений принимается ряд общепринятых допущений, обусловленных особенностями работы таких уплотнений [121]:
Расчёт коэффициента гидравлического сопротивления ТГДУ
Проанализируем рассчитанные изменения расходов с точки зрения системы внутреннего воздухоснабжения. При этом можно выделить несколько диапазонов значений радиальных зазоров: 135 б 0,52: наблюдается нормальное направление всех воздушных потоков (рисунок 4.33); 2 0,52 б 0,65: при увеличении радиального зазора свыше 0,52 мм давление в буферной полости превышает допустимое значение и горячий воздух от системы герметизации ТНД начинает в малом количестве поступать в масляную полость (рисунок 4.34). Температура воздуха в полости, граничащей с масляной, повышается; 3 0,65 б 1,20: достижение величины зазора 0,65 мм приводит к уменьшению давления в полости герметизации турбины ВД и горячий газ поступает во внутренние полости двигателя, в том числе и в предмасляную полость (рисунок 4.35); 4 1,20 5 1,37: при величине радиального зазора больше 1,2 мм (рисунок 4.36) рабочее тело от системы герметизации ТНД полностью вытесняет воздух, предназначенный для наддува уплотнений масляной полости опоры ТВД; 5 1,37 6 1,41: достижение величины радиального зазора 1,37 мм (рисунок 4.37) приводит к течению воздуха из-за четвертой ступени компрессора ВД под ротором ВД, вытесняя тем самым воздух от системы наддува уплотнений масляных полостей. Так же происходит втекание воздуха в предмасляную полость справа воздухом от других систем;
Таким образом, при превышении величины радиального зазора величины 0,52 мм происходит нарушение функций системы наддува уплотнений масляных полостей. При достижении величины 0,65 мм, нарушается работа системы герметизации турбины ВД. При величине 1,2 мм система наддува уплотнений прекращает функционировать полностью, так как предмасляные полости опор турбин занимает воздух, отбираемый от четвёртой ступени компрессора ВД с большими значениями температуры и давления.
Уменьшение влияния уплотнения в системе герметизации турбин на параметры системы наддува уплотнений масляных полостей при увеличенном значении зазора можно достичь путем «открывания» буферной полости и создания в ней более низкого давления. С другой стороны это приведет к повышенным утечкам из предмасляной полости и созданию в ней более низкого давления. Так же увеличатся утечки из полости герметизации, в которую при этом может просочиться горячий газ.
Рассмотрим влияние расхода через уплотнения за последней ступенью КВД на тепловое состояние ТВД и параметры СВВС ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности. На рисунке 4.39 показан фрагмент расчётной схемы СВВС, соответствующий рассматриваемым элементам.
С помощью методик, сформированных в настоящей работе, может быть оценено влияние работы уплотнения на тепловое состояние деталей двигателя. В качестве примера приведем данные об изменении температуры в зоне лабиринтных уплотнений У 1-У 6 при изменении утечки закомпрессорного воздуха (рисунок 4.40). Как видно из рисунка 4.40, влияние расхода через лабиринт неодинаково, и для отдельных деталей может достигать 40 градусов при изменении зазора в два раза, что при высоких рабочих температурах деталей может быть весьма критично. Изменение расходов воздуха через уплотнения ТВД показано на рисунке 4.41.
Зависимость расхода через У2 от величины утечки через уплотнение за КВД Изменение зазора в уплотнении за КВД приводит к изменению утечки закомпрессорного воздуха высокого давления. При рабочей величине зазора эта утечка составляет 0,6%. Как это объяснялось ранее, воздух, прошедший через лабиринт за КВД, наддувает уплотнения У1 и У2. Большая его часть (0,55%) сбрасывается через статор (по схеме — узлы 179-181-182-183) и лабиринт У1 в тракт перед рабочим колесом. При снижении утечки за КВД снижается температура уплотнения вала ВД и закомпрессорного уплотнения и увеличивается температура уплотнения У2 (закомпрессорный воздух охлаждает уплотнение, расположенное в горячей зоне). В рабочем состоянии расход воздуха за КВД создает такой перепад давлений, что расход воздуха через лабиринт У2 отсутствует. При существенном увеличении расхода через рассматриваемое уплотнение происходит небольшое подмешивание более горячего воздуха к охлаждающему. Снижение зазора приводит к снижению утечки закомпрессорного воздуха, что, в свою очередь, приводит к понижению давления в межлабиринтной полости У1-У2 и утечке охлаждающего воздуха в тракт.
На рисунке 4.42 показано влияние утечки воздуха за КВД на расход через уплотнение У2. Видно, что при номинальном значении утечки 0,6% расход через уплотнение практически отсутствует. Снижение утечки приводит к росту расхода через У2 (участок положительного расхода по оси ординат). При увеличении утечки наблюдается обратное течение в лабиринте (участок отрицательного расхода по оси ординат), что говорит о подмешивании (рисунок 4.43, б) более горячего воздуха (по сравнению с воздухом, прошедшим через аппарат закрутки) к охлаждающему. Также следует отметить, что при изменении расхода через лабиринт за КВД в широких пределах может возникнуть обратное течение в лабиринтном уплотнении У4, то есть изменится направление течения охлаждающего лицевую сторону диска ТВД воздуха.
Рассчитанные значения температур элементов двигателя и параметры воздуха в каналах СВВС показали хорошее соответствие со значениями, предоставленными фирмой-разработчиком двигателя (ОАО «Кузнецов») [130]. В таблице 4.1 приведены значения температуры элементов турбины двигателя, в таблице 4.2 — сравнение давлений и температур воздуха в каналах СВВС.
В настоящей главе рассмотрены некоторые практические вопросы, связанные с расчетом параметров систем внутреннего воздухоснабжения, а также показано практическое применение разработанных ранее методик.
Как сообщалось ранее, от результатов расчета параметров СВВС можно перейти к выбору типа и параметров уплотнений для их обеспечения. При этом основными параметрами, определяющими работу элемента в составе гидравлической цепи СВВС, являются коэффициент гидравлического сопротивления и характерная площадь сечения. Определение коэффициента гидравлического сопротивления возможно различными способами (аппроксимация зависимостей, приведенных в справочной литературе; экспериментальные значения; аналитические зависимости) и выходит за рамки настоящей работы. Тем не менее, предложены способы расчёта таких коэффициентов на основе гидравлических моделей для различных типов уплотнений, использование которых позволяет выбрать параметры уплотнений.
Сформированная в предыдущей главе методики, позволяющая оценить влияние параметров отдельных уплотнений СВВС на термодинамические параметры двигателя, применена для исследования уплотнения в составе подсистемы разгрузки от действия осевой силы ТРДД с подпорными ступенями без смешения потоков. На примере уплотнений, герметизирующих ТНД двигателя, показано, как изменение его параметров приводит к изменению картины течений в каналах СВВС. На примере уплотнения за компрессором двигателя со сверхвысокой степенью двухконтурности показано, как изменение расхода через рассматриваемое уплотнение влияет на картину течения охлаждающего воздуха, температурное состояние деталей двигателя и расходы через остальные уплотнения рассматриваемого участка.
