Введение к работе
Актуальность темы. Надежность и ресурс двигателей летательных аппаратов (ДЛА) во многом определяются вибрационным состоянием изделия. Одним из важнейших факторов, влияющим на вибрацию двигателя, является уровень демпфирования в опорах. Конструкция демпферов, используемых в настоящее время в опорах роторов ДЛА, достаточно разнообразна. Одним из распространённых типов демпферов являются сейчас гидродинамические демпферы (ГДД), или, по зарубежной терминологии, демпферы с выдавливанием плёнки смазки. Они привлекают конструкторов простотой конструктивной реализации и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации.
Постоянно растущие требования повышения надёжности ДЛА вызывают интерес к совсршенствовагапо демпферов такого типа. Большое количество работ, появившихся особенно за рубежом в последние 10 лет по этому вопросу, также подтверждает актуальность темы. Несмотра на достаточную изученность динамически нагруженных подшипников скольжения, частным случаем которых являются ГДД, работа их в условиях опор ДЛА накладывает ряд особенностей, которые к настоящему времени учтены не полностью. Поэтому возникает необходимость в системном подходе к исследованию и проектированию ГДД с учётом реальных условий эксплуатации, в создании базы званий по типам и характеристикам ГДД и их элементов, в разработке перспективных конструкций ГДД. Результаты исследований могут быть использованы для отработки существующих изделий на повышенный ресурс.
Цель работы. Создание методологии исследования протекающих в ГДД процессов, связанных с влиянием конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, а также при работе их в составе турбомашины; разработка на ее основе более совершенных методик расчёта, методологии проектирования и перспективных конструкций ГДД. Задачи исследования:
Создание базы знаний об объекте исследования. Важнейшей частью ГДД
является смазочный слой. Необходимо определить его гидродинамические
характеристики для различных типов ГДД с учётом конвективных сил
инерции, турбулизащга и кавитации, а также отклонений от геометриче
ской формы зазора. Следует изучить и проанализировать особенности под
вода и отвода смазки в ГДД.
Необходимо создать методологию определения оптимальных параметров
ГДД, работающего в составе роторной системы авиационного ГТД, для че
го нужно разработать систему соответствующих критериев оптимальности
и ограничений. Требуется разработать методику оценки динамических
свойств основных элементов роторов ДЛА - подшипников качения, соеди
нительных муфт и рессор, а также построения модели редуктора для авиа-
ционного ГТД, который может являться опорой ротора в случае ТВД или ТВВД. Необходимо учесть вес ротора и возможность появления значительных динамических нагрузок при обрыве лопатки. Опираясь на разработанные методики анализа ГДД, необходимо сформулировать принципы проектирования высокоэффективных и надёжных ГДД, создать средства их проектирования, а также разработать перспективные конструкции ГДД и определить области оптимального применения того или иного типа ГДД.
Методы исследований. В работе проведен теоретический анализ течения жидкости в элементах ГДД на основе решения уравнений Навье-Стокса методом осреднения скоростей по Слёзкину-Таргу, уравнений Рейнольдса конечно-разностным методом и по методу Галёркина. Дифференциальные уравнения движения жёсткого ротора решались численно методом Рунге-Кутга, а динамика многоопорного разрезного ротора исследовалась методом начальных параметров. Нелинейность характеристик ГДД учитывалась итерационным методом. Все исследования велись в безразмерном виде. Достоверность принятых допущений и полученных результатов подтверждена экспериментами на стендах и натурных изделиях, а также сравнением с экспериментальными данными других исследователей.
Объекты исследования: ГДД различных типов применительно к опорам роторов авиационных двигателей, ТНА и свободных турбин (СТ) для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА), и система «ротор - опоры».
Научная новизна. Разработана расчётная модель ГДД, учитывающая особенности работы в условиях опор роторов современных ДЛА. Созданы методики расчёта динамических характеристик тонкой жидкостной плёнки с учётом конвективных сил инерции, гурбулкзации и кавитации смазочного слоя. Создана расчётная модель демпфера с цилиндрической и торцовыми щелями, позволяющего воспринимать радиальную и осевую вибрации. Учтены особенности подвода и отвода смазки к демпферу. Исследовано влияние веса ротора, действующего на демпфер. Сформулированы принципы проектирования демпферов для работы в условиях опор ДЛА. Предложены перспективные конструкции демпферов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, и созданы методики их расчёта.
Создана методика динамического моделирования ряда элементов ротора (подшипники качения, рессоры, соединительные муфты, редукторы и "прицепные" ступени) для расчета методом начальных параметров. Разработана система критериев оптимизации и ограничения для подбора ГДД, оптимального для данного ротора. Создан алгоритм выбора типа демпфера для системы "ротор - опоры". Разработана методика учета нелинейных свойств ГДД при высоких уровнях динамических возмущений, возникающих, например, при обрыве лопатки.
На основании выявленных закономерностей и обобщеши результатов исследований созданы методология проектирования и методы расчетов различных типов ГДД и их элементов с учётом условий эксплуатации. Предложены перспективные технические решения, отвечающие современным требованиям к аэрокосмической технике по надежности и экономичности. Таким образом, решена важная научная проблема, имеющая большое народно - хозяйственное значение для турбомашин ДЛА.
Практическая ценность. Результаты исследований протекающих в демпферных щелях процессов, полученные аналитические зависимости для динамических характеристик, а также выявленные закономерности влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на характеристики ГДД позволили создать уточнённые методики их расчета.
Разработанные принципы проектирования высоконадёжных ГДД позволяют повысить их эффективность и надёжность, а уточнённые методики расчета характеристик ГДД с рассмотрением их работы в составе турбомашины -достоверность результатов проектирования, что приводит к снижению материальных и временных затрат на вибрационную доводку ДЛА.
Созданная информационно-расчетная система ГДД позволяет значительно повысить эффективность процесса проектирования демпферов.
Научно обоснованные и подкреплённые теоретическими и экспериментальными исследованиями методология проектирования и конструкции ГДД создают реальную базу для успешного создания нового поколения ГДД с повышенными показателями при значительном сокращении времени их проектіфования, изготовления и доводки, а также модернизации ГДД, находящихся в эксплуатации турбомашин различного назначения.
Реализация работы на практике. Методики проектирования ГДД ДЛА с учетом условий эксплуатации внедрены на ряде предприятий Российской Федерации. Результаты проведенных исследований использованы при создании ГДД для авиационных ГТД и ТНА, а также для СТ привода ГПА в газовой промышленности. Основополагающие материалы диссертации используются в учебном процессе СГАУ.
Апробация работы. Результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 32 научно - технических конференциях (НТК), совещаниях (НТС) и симпозиумах: 2 и 3 Всесоюзных НТК (ВНТК) "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов" (Москва, 1981, 1985гг.); 3-6 ВНТК "Контактная гаородинамика" (Куйбышев, 1981, 1986, 1991, 1996 гг.); ВНТК по конструкционной прочности авиадвигателей (Куйбышев, 1983, 1985, 1988, 1990, 1996гг.); ВНТК "Трение и смазка в машинах" (Челябинск, 1983г.); Международной НТК по герметичности и вибрационной надёжности центробежных машин" (Сумы, 1993 и 2000гг.); Российском симпозиуме по трибологии (Самара, 1993г.); 10 и 12 Международ-
ном коллоквиуме по трибологии (Esslingen, Germany, 1996 и 2000гг.); ВНТС по проблемам прочности двигателей, (Ленинград, 1979, Москва, 1984); ВНТК "Современные методы и средства уравновешивания машин и приборов", ВолгоградД979, Москва, 1983); ВНТК "Динамика станков" (Куйбышев, 1984); II ВНТК "Надёжность и долговечность машин и приборов" ( Куйбышев, 1984); ВНТК по проблемам надежности и ресурса в машиностроении (Куйбышев, 1986); НТК "Повышение ресурса узлов трения, работающих в экстремальных условиях (Пермь, 1986); ВНТК (Москва, ЦИАМ, 1989); ВНТК по проблемам надёжности и ресурса в магшшостроешш (Самара, 1995); Международной НТК "Динамика роторных систем" (Украина, г. Каменец - Подольский, 1996); симпозиуме "Обеспечение надежности узлов трения машин и механизмов" (Самарский государственный технический университет (СГТУ), Самара, 1998); Международной НТК «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, СГТУ, 1999г.); Международной НТК, посвященной 55-летию СГАУ "Проблемы и перспективы развития дви-гателестроекия в Поволжском регионе" (Самара, 1997); Международной НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе» (Самара, СГАУ, 1999г.); Международной НТК "Современные проблемы машиноведения" (научные чтения, посвященные П.О. Сухому, Гомель, 1998); 5 Международном симпозиуме "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред" (Москва, 1999), Международном научно-практическом симпозиуме «Наземная и аэрокосмическая трибология 2000. Проблемы и достижения» Славянтрибо -5, (Санкт-Петербург, 2000г., РАН), выездном НТС Головного Совета «Машиностроение» Министерства общего и профессионального образования РФ (Самара, СГАУ, 29-30.01.98).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 статей, 1 учебное пособие, 1 монография, 35 тезисов докладов, 35 технических решений признано изобретением.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Работа изложена на 300 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков и 23 таблицы. Библиография включает 230 наименований.
