Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существует большое количество различных типов двигателей летательных аппаратов (ДЛА), имеющих широкие диапазоны условий эксплуатации. Скорость полёта может изменяться от нуля до гиперзвуковых значений. Высота полёта также варьируется от околоземных условий до космических полётов. Во время полёта нагрузки не сохраняются постоянными. Двигатели испытывают значительные динамические перегрузки, перепады температуры и давления, могут работать в условиях высокой влажности или запылённости, а также различных агрессивных сред. Развитие авиационного и ракетного двигате-лестроения связано с непрерывным ростом параметров цикла. Современные турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД) гражданского назначения имеют степень двухконтурности от = 8-15 и выше, суммарную степень повышения давления в компрессоре п* > 50, температуру газа на входе в турбину т* = 1600 - 2000ТГ .
"I max
Максимальное значение тяги авиационного двигателя пятого поколения превышает 500 кН, длительность разработки составляет 8 - 10 лет, а стоимость увеличилась в 10 раз по сравнению с двигателями второго поколения. Ресурс двигателя должен превышать 20 - 30 тысяч полётных циклов.
Дальнейшее совершенствование газотурбинных двигателей (ГТД) возможно осуществлять по двум направлениям. Первое связано с применением новых перспективных конструкций двигателей, работающих на основе модернизированного цикла, с другим топливом, с оригинальной конструктивно-силовой схемой. Сюда же относится применение в двигателе новых высокоэффективных элементов: подшипников, уплотнений, покрытий и т.д. Второе связано с совершенствованием существующих конструкций, увеличения их эффективности за счёт более тщательного прогнозирования условий работы, основанного на применении современных вычислительных программных комплексов. Оба указанных направления имплемен-тируются в данной работе.
В качестве перспективного элемента предлагается использование торцового газодинамического уплотнения (ТГДУ), работающего как уплотнение опоры компрессора. Анализ существующих публикаций позволил установить, что содержащиеся в них методы проектирования могут быть усовершенствованы, введением в рассмотрение реальной формы зазора в уплотнительной щели и разработкой метода проектирования торцового газодинамического уплотнения (ТГДУ) с произвольной формой газодинамических камер с одновременным решением задачи упругопласти-ческого деформирования колец пары трения. Реализация второго направления совершенствования ГТД применительно к роторным уплотнениям основана на разработке метода проектирования систем двигателя и его узлов с учетом характеристик уплотнений как их элементов. Разработанный метод синтезирует методы проектирования уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабжения, масляной системы, как элемента опоры и с учётом изменения его характеристик на переходных режимах.
Опубликованные методы проектирования уплотнений рассматривают его вне связи с конструкцией двигателя. В качестве исходных данных принимаются только параметры на входе и на выходе из уплотнения. Взаимосвязь конструкции уплотнения с конструкцией узлов конкретного двигателя или его систем не рассматривает-
ся. В действительности в современном двигателе пятого поколения все элементы и системы очень тесно связаны. Изменение расходной характеристики через одно уплотнение опоры способно изменить работу масляной системы, системы внутреннего воздухоснабжения и работу всей системы уплотнений. Справедливым является и обратная последовательность взаимодействия. Предлагаемый метод может рассматриваться как теоретическая основа проектирования систем роторных уплотнений ДЛА.
Синтез рассмотрения уплотнения как самостоятельного объекта проектирования и как элемента узлов двигателя и его систем вместе с совокупностью перечисленных особенностей составляет актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Степень разработанности темы. Создание высокоэффективных уплотнений рассматривается ЦИАМ как одно из важнейших направлений создания перспективных военных и гражданских двигателей летательных аппаратов. Проектированию отдельных типов уплотнений для турбомашин различного назначения посвящено большое количество теоретических и экспериментальных исследований. Примерами могут служить работы Э.А Васильцова, А.В. Иванова, Д.Л. Рода, Д.В. Чилдса и др. (лабиринтные уплотнения); А.И. Белоусова, М.Дж. Брауна, М. Демигоглу, И. Догу, А.М. Жижкина, А.О. Пугачёва, Ю.А. Равиковича, С.В. Фалалеева и др. (щёточные уплотнения); А.И. Голубева, Л.А. Кондакова, А.О. Лебека, Э.Майера и др. (торцовые контактные уплотнения); М.Дж. Брауна, А. Бушера, К. Грондала, М.Дж. Пекриса, М.П. Проктор. Ю.М. Темиса и др. (перспективные пальцевые и пластинчатые уплотнения); А.И. Голубева, И. Грина, Г.Н. Дена, И. Зака, В.А. Максимова, В.А. Марцинковского, В.А. Мельника, Е.А. Новикова, С.В. Фалалеева. В.К. Юна, И. Этсиона и др. (торцовые газодинамические уплотнения). Анализ публикаций позволил установить, что традиционно уплотнение проектируется на заданные параметры без рассмотрения его в составе узлов двигателя и его систем. Хотя работа любого типа уплотнения в составе авиационного двигателя будет иметь свои особенности. Синтез исследования отдельно взятого уплотнения, систем уплотнений, включённых в узлы и системы двигателя, способен повысить достоверность проектировочных расчётов.
Цель работы: повышение эффективности авиационных ГТД и процесса их проектирования за счёт разработки нового обобщённого метода проектирования роторных уплотнений как элементов узлов двигателя и его систем с учётом изменения характеристик на переходных режимах работы двигателя, а также совершенствования существующих методов проектирования уплотнений.
Задачи исследования:
-
Усовершенствование аналитической математической модели расчёта характеристик ТГДУ и создание на её основе метода его проектирования за счёт учёта произвольной формы уплотнительного зазора, а также его экспериментальная апробация.
-
Разработка математической модели расчёта герметичности ТГДУ с различной формой газодинамических камер и исследование на её основе работоспособности уплотнений в условиях наличия деформаций уплотнительных поверхностей и сравнение полученных расчётных данных с результатами эксперимента.
3. Установление закономерностей влияния деформаций на характеристики
ТГДУ, исследование деформаций в паре трения газодинамических уплотнений с
учётом неравномерного распределения коэффициента конвективной теплоотдачи, разработка методики суммирования силовых и тепловых деформаций уплотнитель-ного кольца, создание теоретических основ для обеспечения заданной формы и величины зазора в уплотнении в процессе проектирования.
-
Создание метода проектирования уплотнения как элемента системы внутреннего воздухоснабжения ДЛА на основании итерационного решения гидравлической задачи и задачи термоупругопластического деформирования; установления закономерностей влияния герметичности уплотнения на работу системы внутреннего воздухоснабжения, а также на параметры эффективности двигателя и его узлов.
-
Разработка метода проектирования уплотнения в составе опоры, позволяющего анализировать изменение минимальной величины зазора и его формы в зависимости от изменения нагрузок, действующих на опору, включая способ крепления двигателя к летательному аппарату (ЛА) и возможные эксплуатационные перегрузки, исследование возможности применения ТГДУ в качестве разгрузочного устройства от осевых сил, действующих на радиально-упорный подшипник.
-
Создание метода проектирования уплотнения опоры двигателя с учётом изменения его характеристик на переходных режимах; установление закономерностей влияния деформаций ТГДУ на его динамические характеристики на основе совместного использования двухмассовой динамической модели ТГДУ и разработанного метода, а также исследование изменения характеристик данного уплотнения с учётом нестационарности тепловых процессов, происходящих в ГТД.
-
Создание метода проектирования уплотнения с учётом параметров масляной системы, учитывающего влияние температуры охлаждающего воздуха и температуры стенок опоры на величину прокачки масла, установление закономерностей влияния герметичности уплотнения на работу системы уплотнений и величину прокачки масла при помощи совместного использования ранее разработанных методов для системы внутреннего воздухоснабжения и опоры.
-
Создание метода, синтезирующего проектирование уплотнения как самостоятельного объекта на заданные параметры и условия эксплуатации, а также как элемента узлов двигателя и его систем.
Научная новизна работы:
-
Усовершенствована математическая модель ТГДУ со спиральными канавками путём учёта сложной формы уплотнительного зазора, на основании которой установлены закономерности изменения характеристик уплотнения и предложен метод проектирования ТГДУ с заданной величиной и формой зазора.
-
Разработана математическая модель ТГДУ с газодинамическими камерами произвольной формы с учётом деформаций уплотнительных поверхностей колец, позволяющая выбирать рациональную форму камеры ТГДУ для заданных условий работы и обосновывать работоспособность уплотнения при наличии указанных деформаций.
-
Установлены закономерности распределения коэффициента конвективной теплоотдачи по поверхности колец ТГДУ и его влияния на характеристики уплотнения и величину деформаций уплотнительных колец.
-
Созданы теоретические основы проектирования ТГДУ, обеспечивающие на основании усовершенствованной математической модели, требуемые характеристики уплотнений рассматриваемого типа и базирующиеся на суммировании силовых и температурных деформаций колец пары трения.
-
Создан метод проектирования уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабжения, позволяющий определять влияние герметичности уплотнения на параметры системы, эффективность отдельных узлов и двигателя в целом.
-
Разработан метод проектирования уплотнения как элемента опоры, учитывающий влияние деформаций опоры на его герметичность и позволяющий сравнивать воздействие различных составляющих нагружения, включая эксплуатационные перегрузки и способ крепления двигателя к летательному аппарату.
-
Создан метод проектирования уплотнения с учётом изменения параметров на переходных режимах ДЛА, позволяющий учитывать влияние деформаций уплотни-тельных поверхностей на динамические характеристики и проектировать уплотнение с учётом нестационарности протекающих физических процессов.
-
Разработан метод проектирования уплотнения с учётом параметров масляной системы ГТД, позволяющий установить связь между теплом, поступающим в масляную полость от различных источников, и герметичностью системы уплотнений, а также анализировать взаимное влияние герметичности уплотнений, составляющих рассматриваемую систему, и на охлаждение опоры ГТД.
-
На основе обобщения четырёх предыдущих методов создан метод проектирования уплотнения как элемента систем двигателя и его узлов с учётом изменения характеристик уплотнения на переходных режимах, формирующий представление об уплотнении как о самостоятельном объекте проектирования и о функциональном элементе объектов проектирования более высокого иерархического уровня. Разработанный метод призван установить взаимосвязь между конструкцией уплотнения и конструкцией сопредельных узлов и систем двигателя.
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанные отдельные методы проектирования уплотнения как элемента систем двигателя, его узлов и изменения параметров на переходных режимах в совокупности образуют обобщённый метод, расширяющий практические возможности для совершенствования конструкции используемых уплотнений и повышения эффективности авиационного или конвертированного ГТД. Они позволяют не только связать конструкцию уплотнения с действующими параметрами рабочего тела, использующегося в двигателе, и предъявляемыми техническими требованиями, но и с конструкцией сопредельных элементов и систем, в которые включено рассматриваемое уплотнение. Также созданные методы позволяют осуществить качественный переход от проектирования отдельного уплотнения к проектированию уплотнительных систем ГТД. Усовершенствованные и вновь разработанные математические модели ТГДУ позволят выполнять проектировочные расчёты на более высоком теоретическом уровне, повысить их достоверность, сократить время необходимое на экспериментальную доводку уплотнения, что, в конечном счёте, также приведёт к увеличению эффективности двигателя.
Методология и методы исследований. Решение поставленных задач осуществлялось теоретическими исследованиями, выполненными на основе методов математического анализа, термодинамики и теории теплообмена, теории колебаний, газодинамики, трибологии, конечных элементов, расчёта гидравлических цепей, теории и проектирования конструкции ГТД с помощью программных комплексов на основе метода конечных элементов: «NX», «ANSYS», «NUMECA», «FLUENT» и «ANSYS CFX». Экспериментальные исследования были получены на стандартном оборудовании с использованием методов статистической обработки.
Положения, выносимые на защиту. 1. Усовершенствованная математическая модель ТГДУ со спиральными канавками, позволяющая проектировать уплотнение с заданной формой зазора, и метод проектирования уплотнения, созданный на её основе.
-
Математическая модель ТГДУ с произвольной формой газодинамических камер и результаты исследования работоспособности уплотнения в условиях образующихся деформаций.
-
Выявленные закономерности влияния деформаций на характеристики ТГДУ, полученные, в том числе, с неравномерностью распределения коэффициента конвективной теплоотдачи, и разработанные на их основе основы методология регулирования характеристик ТГДУ.
-
Метод проектирования уплотнения как элемента системы внутреннего возду-хоснабжения, позволяющий учитывать взаимное влияние герметичности уплотнения на конструкцию и параметры всей системы, включающий конструкцию системы уплотнений, а также параметры эффективности сопредельного узла и всего двигателя.
-
Метод проектирования уплотнения как элемента опоры, основанный на анализе влияния деформаций деталей опоры на расходные характеристики рассматриваемого уплотнения и учитывающий особенности конструктивного исполнения, сочетания действующих компонентов нагружения, возможные эксплуатационные перегрузки и способ крепления двигателя к летательному аппарату.
-
Метод проектирования уплотнения с учётом изменения параметров двигателя на переходных режимах, основанный на включении нестационарных процессов в определение суммарной величины утечек в течение полётного цикла, а также выявленные закономерности влияния деформаций на динамические характеристики ТГДУ на основании применения разработанных методов и двухмассовой динамической модели.
-
Метод проектирования уплотнения с учётом параметров масляной системы, устанавливающий взаимосвязь между конструкциями рассматриваемого уплотнения и уплотнительной системы, включающей его, и величиной прокачки масла через отдельно взятую опору и двигатель.
-
Обобщённый метод проектирования уплотнения, синтезирующий представление об уплотнении как об обособленном объекте проектирования и как о функциональном и элементе систем и узлов двигателя и его узлов при учёте изменения его параметров на переходных режимах, устанавливающий взаимосвязь конструкции и параметров уплотнения с конструкцией других элементов двигателя.
Достоверность полученных результатов обосновывается путём корректно поставленных задач исследования и научной цели, правильностью использования математического аппарата, теоретических методов и зависимостей, принятых допущений и ограничений, а также сопоставлением полученных теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными и данными других исследователей.
Апробация результатов исследования. Результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 35 научно-технических конференциях (НТК), совещаниях (НТС) и симпозиумах: Международная НТК (МНТК) «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2003 г., 2006 г., 2009 г., 2011 г., 2014 г.); МНТК «СИНТ» (Воронеж, 2003 г., 2009 г.); МНТК «Гервикон-2005» (Сумы, 2005 г.); МНТК «Рабочие
процессы и технология двигателей» (Казань, 2005 г.); 15-th International Colloquim Tribology «Automotive and Industrial Lubrication» (Esslingen am Neckar, 2006 г.); Межрегиональная научно-методическая конференция «Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России» (Самара, 2006 г.); Cимпозиум «Гидродинамическая теория смазки - 120 лет» (Орел, 2006 г.); Региональный научно-технический семинар «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2008 г., 2009 г.); Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 2010 г.); Международный молодежный форум «Будущее авиации за молодой Россией» (Рыбинск, 2010 г.); МНТК «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2010 г.); НТК «Ракетно-космическая техника и технология 2010», посвященная 50-летию образования кафедры «Ракетные двигатели» ВГТУ (Воронеж, 2010 г.); НТК «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2010 г.); НТК «Инновации в авиастроении» (Казань,
-
г.); МНТК авиамоторостроительной отрасли - ОАО «Мотор Сич» (Запорожье,
-
г.); НТК, посвящённая 85-летию со дня рождения Р.Р. Мавлютова (Уфа, 2011 г.); International Sealing Conference (Stuttgart, 2012 г., 2014 г.); Международный конгресс двигателестроителей (Харьков, 2012 г.); МНТФ, посвященный 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ (Самара, 2012 г.); Научно-технический конгресс по двигателе-строению (НТКД-2012) (Москва, 2012 г.); НТК «Молодежь. Техника. Космос» (Санкт-Петербург, 2012 г.); Симпозиум с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (Самара, 2012 г.); ASME 2014 Gas Turbine India Conference (New Dehli, 2014 г.); ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (Seoul, 2016 г.); ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (Charlotte, 2017 г.).
Разработанный метод и составляющие его методы проектирования уплотнения как элемента узлов и систем двигателя с учётом изменения параметров на переходных режимах были внедрены на ряде предприятий. С учётом данного метода и выполненных на его основе проектировочных расчётов и исследований были предложены и научно обоснованы конструкции перспективных уплотнительных узлов для высокооборотного уплотнения агрегата подачи топлива двигателя НК-37 (ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова»), выданы рекомендации по совершенствованию конструкций наддува и охлаждения опор двигателя НК-36СТ (ПАО «Кузнецов») в рамках исследований, выполненных при поддержке Правительства Российской Федерации на основании Постановления правительства РФ № 218 от 29.04.2010. Были разработаны конструкции большеразмерного торцового газостатического уплотнения для фирмы GEAE (США) в рамках проекта №AMD-NCS-030429 на основе соглашения №200-18-14W36277 от 29.08.2003г. и высокоперепадного модельного уплотнения. Созданные методы применяются в учебном процессе в Самарском университете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 90 работ, в том числе 25 в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 14 в изданиях, включённых в международную базу SCOPUS.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав и заключения. Работа изложена на 376 страницах, включает 292 рисунка, 40 таблиц. Список литературы содержит 375 наименований.