автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Моделирование тепломассопереноса в кольцевых зазорах узлов уплотнений роторов турбонасосных агрегатов летательных аппаратов

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ПРОБЛЕМЕ ТЕЧЕНИЯ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ В ЩЕЛЕВЫХ КАНАЛАХ.

ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Ю

1.1. Модельные представления и особенности течения процессов тепломассопереноса в щелевых каналах IО

1.2. Выводы и задачи исследования

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ПРОНИЦАЕМЫМИ КОЛЬЦАМИ

2.1. Постановка задачи моделирования процессов массопереноса

2.2. Решение задачи моделирования массопереноса рабочей среды

2.3. Моделирование задачи теплопереноса рабочей среды между подвижными проницаемыми кольцами

3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАЗОРАХ УЗЛОВ УПЛОТНЕНИЙ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

3.1. Анализ численного решения массопереноса в кольцевом зазоре

3.2. Результаты численного анализа теплопереноса в кольцевом зазоре

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ УПЛОТНЕНИЙ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

4.1. Вводные предпосылки

4.2. Состояние вопроса по конструктивным особенностям уплотнений в турбонасосных агрегатах энергоустановок

4.3.Компьютерный анализ течения вязкой жидкости в узлах уплотнений роторов турбомашин

4.3.1. Обсуждение результатов расчетов температурного поля в осесимметричных кольцевых зазорах энергоустановок

4.4. Сопоставление результатов вычислений при течении вязкой среды в щелевом канале с аналогичными данными других авторов

Актуальность темы

В настоящее время существует проблема повышения надежности и эффективности функционирования неподвижных и самоустанавливающихся щелевых уплотнений проточной части насосов и турбин турбонасосных агрегатов (ТНА) летательных аппаратов (ДА). В общем случае работы узлов уплотнений не допускается контакт поверхностей уплотнительных элементов корпуса и ротора, возникающий вследствие их нагрева . Поэтому возникает необходимость моделирования процессов тепломассопереноса в образованных кольцевых зазорах с целью расчета тепловой защиты и обеспечения надежного охлаждения наиболее теплонапряженных поверхностей уплотнительных элементов энергоустановок.

Кроме того, одним из основных направлений в совершенствовании лопаточных машин является улучшение характеристик уплотнений проточной части. Это связано с тем, что повышение характеристик турбомашин путем совершенствования лопаточной части обходится в 4-5 раз дороже, чем повышение, получаемое за счет совершенствования самих уплотнений и обеспечения их надежного охлаждения. Таким образом, необходимы дальнейшие научные исследования, вышеприведенной актуальной темы, позволяющие более детально изучать процессы тепломассопереноса при течении рабочих сред в щелевых зазорах и квалифицированно формулировать практические рекомендации.

Данная работа выполнялась по комплексному плану научно-исследовательских работ Воронежского государственного технического университета (Гос. регистр. № 01.20.0001796) и в рамках грантов «Тепломассоперенос в каналах двигателей и энергетических установок летательных аппаратов» (ГР 01.20.0001796).

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методики расчетного моделирования процессов тепломассопереноса в кольцевых зазорах узлов уплотнений, позволяющей повысить эффективность охлаждения теплонапряженных элементов конструкции проточной части насосов и турбин энергоустановок.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) Обобщение результатов теоретических исследований по проблеме течения вязкой жидкости в узких щелевых каналах (зазорах);

2) разработка аналитической методики расчета тепломассопереноса вязких сред в щелевых кольцевых зазорах;

3) проведение вычислительного эксперимента по физическому описанию процессов тепломассопереноса в щелевых кольцевых зазорах уплотнений энергоустановок.

Научная новизна данной работы. 1 .Разработаны математическая модель и методика расчета тепломассопереноса вязкой среды в кольцевых щелевых зазорах уплотнительных элементов ТНА, учитывающие кольцевую область течения рабочей жидкости, влияние вращения ограничивающих колец и теплофизических свойств, и интенсификацию охлаждения за счет оптимальной подачи охладителя через равномерно - пористые кольца. 2. Проведено компьютерное моделирование процессов тепломассопереноса в щелевых зазорах уплотнений энергоустановок, выявляющее оптимальный тепловой и гидродинамический режимы охлаждения теплонапряженного кольцевого зазора.

Достоверность результатов. Основные выводы и положения диссертации учитывают необходимые термогазодинамические особенности исследуемых процессов. Выбор математической модели осуществляется на основе физических представлений о структуре вязкого потока в уплотнительных узлах. Для теоретического описания изучаемых процессов использовался математический аппарат, применимость которого достаточно обоснованно проверена современной практикой (метод вариации произвольных постоянных Лагранжа, метод последовательных приближений).

Адекватность математических моделей подтверждается удовлетворительным согласованием расчетных результатов при сопоставлении с другими данными.

Научная и практическая значимость настоящей диссертационной работы состоит в том, что разработаны математическая модель и методика расчета тепломассопереноса рабочей среды в щелевом кольцевом канале (зазоре) ТНА, которые дают проектировщикам возможность:

1 .Моделировать температурное и гидродинамическое состояния кольцевого зазора уплотнения в зависимости от условий нагрева, инжекции жидкости в межкольцевой канал, теплофизических свойств охладителя, эффекта вращения колец, что позволяет оценивать и прогнозировать тепловое состояние теплонапряженных поверхностей проточной части турбомашин.

2.Проводить комплексный анализ эффективности охлаждения самоустанавливающихся и неподвижных щелевых уплотнений и выдавать рекомендации, позволяющие увеличить работоспособность ТНА в реальных условиях эксплуатации.

Разработанные математическая модель и аналитическая методика используются в проектной и расчетной практике на ДП «Турбонасос» ФГУП КБ «Химавтоматика» (г. Воронеж) и в учебном процессе кафедры «Ракетные двигатели» Воронежского государственного технического университета при выполнении курсовой работы по дисциплине «Теория ракетных двигателей».

Апробация работы

Материалы и результаты, выполненные по теме диссертации, докладывались и обсуждались на Региональном межвузовском семинаре «Моделирование процессов тепломассообмена» (Воронеж, 1999-2002 г.г.), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (19992002 г.г.), ФГУП ДП «Турбонасос» при КБХА ( г. Воронеж, 2002 г.), седьмой Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (г. Воронеж, 2002 г.), второй Всероссийской научно-технической конференции «Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении» (г. Воронеж, 2001).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: в /29/ - обсуждение физической постановки задачи и представлены особенности гидродинамики и теплообмена применительно к уплотнениям роторов турбомашин; в /30/ -на основе разработанной аналитической методики решена задача моделирования массопереноса между соосными пористыми кольцами; Работы /50/ и /54/ выполнены лично автором.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Объем диссертации составляет 109 страниц машинописного текста, включающих 47 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 54 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертации проведено обобщение результатов теоретических исследований по проблеме течения вязкой жидкости в узких щелевых каналах, показавшее, что для моделирования процессов тепломассопереноса в кольцевых зазорах уплотнительных элементов ГНА необходимо решать задачи, учитывающие радиальные эффекты вращения ограничивающих проницаемых колец.

2. Разработаны математическая модель и методика расчета процессов тепломассопереноса в осесимметричных кольцевых зазорах узлов уплотнений энергоустановок при наличии разнообразных способов интенсификации теплообмена: вращения колец, инжекции в канал через проницаемые стенки при течении вязкой среды. Предложенная методика расчета охлаждения позволяет провести сравнительный анализ и оценить интенсификацию теплообмена в узких каналах, что приводит к рациональному выбору параметров проточной части энергоустановок при тепловой защите теплонапряженных поверхностей.

3. Выполнено компьютерное моделирование массо- и теплопереноса рабочей жидкости в кольцевых каналах, учитывающее зависимости компонент вектора скорости и температуры от радиальной координаты, скоростей вращения колец, коэффициента инжекции, местного числа Рейнольдса, безразмерного параметра теплообмена и числа Пекле, которое показало неоднозначную многофакторную функциональную связь между вышеприведенными переменными величинами.

1. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа//М.: Машиностроение, 1977. С. 184.

2. Новиков П.А., Маленко Г.Л., Любин Л.Я. Исследование течения пара в узких щелях при сублимации в условиях вакуума //Инж. физ. журн., 1972. Т. 22. №5. С. 811-817.

3. Смольский Б.М., Новиков П.А., Маленко Г.Л., Любин Л.Я., Сверщек В.И. Распределение давления в узких щелевых каналах при течении разреженного газа с проскальзыванием и фазовым переходом на стенках //Инж. физ .журн., 1973. Т. 22. № 25. С. 885-892.

4. Новиков П.А., Любин Л.Я., Балахонова В.И. Ламинарное течение пара между параллельными дисками при интенсивной однородной несимметричной сублимации //Инж. физ. журн., 1977. Т.ЗЗ. №5. С. 864-871.

5. Новиков П.А., Любин Л.Я. Течение одноатомного разреженного газа вдоль закрытой части контура щелевого канала //Инж. физ. журн., 1986. Т.51. №4. С. 586-594.

6. Новиков П.А., Любин Л.Я. Течение одноатомного разреженного газа вдоль закрытой части контура щелевого канала //Инж.физ. журн ., 1986. Т.51. №4. С. 586-594.

7. Новиков П.А., Любин Л.Я. Влияние конечной ширины щелевого канала и нелинейности температурного поля на коэффициент термоэффузии //Инж. физ. журн., 1986. Т. 51. № 6. С. 985-990.

8. Новиков П.А., Любин Л.Я., Снежко Э.К. Тепло-и массообмен при сублимации-конденсации в цилиндрическом кольцевом зазоре //Инж. физ. журн., 1975. Т. 28. № 5. С. 851-859.

9. Новиков П.А., Любин Л.Я. Течение вязкой жидкости в узком зазоре между неплоскими поверхностями //Инж. физ. журн., 1987. Т. 52. № 4. С. 569-575.

10. Новиков П.А., Любин Л.Я., Новикова В.И. Течение типа Хил-Шоу между коаксиальными оболочками вращения //Инж. физ. журн., 1987. Т. 52. № 6. С. 940-948.

11. Аристов В.В., Иванов М.С., Черемисин Ф.Г. Решение задачи об одномерной теплопередаче в разряженном газе двумя способами //Инж. физ. журн., 1987. Т. 30. № 4. С. 643-651.

12. Гнедовцев А.Г., Углов А.А. О тепло- и массопереносе у границы раздела фаз при малых числах Кнудсена //Инж. физ. журн., 1989. Т. 27. № 4. С. 539-548.

13. Новиков П.А., Смольский Б.М. Исследование влияния массообмена на процесс теплообмена при сублимации в разреженной газовой среде //Инж. физ. журн., 1976. Т. 12. № 4. С. 433-439.

14. Шапиров Ф.М., Щепеткина Т.В. Движение разреженного газа в плоском канале при наличии конденсации на его стенках //Инж. физ. журн., 1989. Т. 57. №6. С. 906-912.

15. Бабаджанян Г.А., Миацаканян Р.Ж. Течение вязкой жидкости в канале с движущейся пористой стенкой //Инж. физ. журн., 1989. Т. 56. № 1. С. 158.

16. Боброва Г.И., Васильев Л.Л., Винокуров С.К., Моргун В.А. Влияние отсоса на теплообмен в пористых каналах //Вопросы крио-электротехники и низко-температурного эксперимента. Киев. Наук. Думка. 1976. С. 103-107.

17. Новиков П.А., Любин Л.Я. Анализ автомодельных ламинарных течений в щелевых каналах с одной проницаемой стенкой //Инж. физ. журн., 1985. Т. 49. №3. С. 432-436.

18. Спиридонов Ф.Ф. Течение вязкой жидкости между параллельными дисками при интенсивном одностороннем вдуве //Инж. физ. журн., 1986. Т.50. № 4. С. 683-684.

19. Jyotimoy Sincha Roy, Nalin Kanta Chaudhury. Laminau Visco-Elastic Flow and Heat Transfer Between Two Stationary Uniformly Porous Dies of Different Pefmeability// Int. J. Heat and Mass Transfer, 1982, vol 25, № 7, pp. 1065-1068.

20. Лебедев Д.П., Самсонов B.B. Характер внешнего тепло- и массообмена в вакууме в процессе сублимации //Инж. физ. журн., 1978. Т. 23. № 3. С. 424-429.

21. Гетманец В.Ф., Михальченко Р.С. Тепло-массоперенос в плоских щелях при сублимации в вакууме //Вопросы гидродинамики и теплообмена в криогенных системах. Киев: Наук. Думка, 1972, выпуск 2. С. 91-97.

22. Новиков П.А., Маленко Г.Л. Тепло- и массоперенос между параллельными горизонтальными платанами при сублимации в среде разреженного газа. //Инж. физ.журн., 1972. Т. 22. № 1. С. 87-91.

23. Дахин С.В., Фалеев В.В. Особенности течения процессов тепломассообмена при сублимации в узких щелевых каналах //М.: Машиностроение, 1992. С. 22.

24. Дахин С.В., Мозговой Н.В., Ключников В.И. Некоторые экспериментальные данные о теплообмене в сублимационном канале. // Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работ. Воронеж. Политехи, ин-т, 1992. С. 15-19.

25. Faleev V. V., Dakhin S .V., Krekoten V. A. Enhancemet of Heat Exchange in the Channel with Sublimation //The second RUSSIN SINO Smposiumon Aronautical Sience and Technology. 1992. P . 49.

26. Гетманец В.Ф., Михальченко Р.С. Тепло-массоперенос в плоских каналах в условиях вдува газа с поверхностями сублимации// Вопросы гидродинамики и теплообмена в криогенных системах. Киев: Наук. Думка, 1977. С. 24-35.

27. Tandon P. N., Singh О. P. Heat and mass transfer and their thermodynamic couplindg in boundary layer flow of a viscoelastic fluid past a flat plate //Indian J. Phys., 1973. T .47. № 6. P. 334-340.

28. Tandon P. N., Singh 0. P. Boundary layer flower of a reacting viscoelastic fluid past a flate plate //Indian J. Technol., 1975. T. 13. № 3. P. 114117.

29. Фалеев В.В., Романенков А.Г. О некоторых способах интенсификации теплообмена в каналах энергоустановок //Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении: Сб. трудов второй Всеросс. научн.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2000. Ч. 2. С. 12-17.

30. Фалеев В.В., Романенков А.Г. Моделирование процесса массопереноса между соосными пористыми кольцами //Прикладные задачи моделирования и оптимизации. Межвуз. сб. научн. трудов. Воронеж: ВГТУ, 2001. С. 37-40

31. Грискина Н.Г., Топоров В.Г., Мальханов В.П., Богданов В.А. Расчетно-теоретическое исследование деформаций торцовых уплотнений турбокомпрессорных машин. //Труды УП научно-технической конференции

32. Уплотнения и вибрационная надежность центробежных машин», Сумы, 1991. С. 61-67.

33. Грискина Н.Е., Топоров В.Г., Богданов В.А. Экпериментальное исследование деформаций торцовых уплотнений турбодетандера //Труды УП научно-технической конференции "Герметичность и вибронадежность насосов и компрессоров», Сумы, 1993. С. 57-68.

34. Горовой С.А. Гидродинамические характеристики кольцевых каналов //Труды УП научно-технической конференции «герметичность и вибронадежность насосов и компрессоров», Сумы, 1993. С. 167-174.

35. Грискин Е.Н. Гидродинамика торцовых уплотнений при эксцентричном вращении //Тезисы докладов к 1У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1985. С. 36-37.

36. Завьялов Г.А., Васильев В.А. Вопросы нестационарного течения вязких жидкостей в уплотнениях //Тезисы докладов к 1У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1985. С. 47.

37. Турбонасос НГН 110/710 для перекачки горячей нефти. Конструкция и расчет . Воронеж: КБХА, 1995. 75 с.

38. Валюхов С.Г., Марков Д.В., Соболев Г.В. Стояночные торцовые уплотнения химических насосов //Тезисы докладов к У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1988. С. 107111.

39. Беда И.Н. Вычислительные радиальных сил в щелевых уплотнениях //Тезисы докладов к У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1988. С. 24.

40. Шитко А.Н. Расчет динамических характеристик роторов высоконапорных центробежных насосов //Тезисы докладов к У Всесоюзномунаучно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1988. С. 197.

41. Дмитренко А.И., Иванов А.В., Кравченко А.Г. Совершенствование уплотнений с полуподвижными кольцами для проточной части насосов ТНА ЖРД //Научно-техн. юбилейный сб. КБ химавтоматики-ИПФ «Воронеж», 2001.- С. 357-363.

42. Дмитренко А.И., Иванов А.В. Анализ уплотнений проточной части насосов и турбин ТНА ЖРД //Научно-техн. юбилейный сб. КБ химавтоматики-ИПФ «Воронеж», 2001.- С. 364-370.

43. Иванов А.В. Исследование прирабатывающих уплотнений роторов турбонасосных агрегатов //Научно-техн. юбилейный сб. КБ химавтоматики-ИПФ «Воронеж», 2001.- С. 371-375.

44. Валюхов С.Г., Ярославцев С.В., Григорьев С.В. Расчетно-экспериментальное исследование переходных процессов в автомате осевой разгрузки. //Тезисы докладов к У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1988. С. 45-49.

45. Голубев А.И. Предельные параметры и границы устойчивой работы торцевых уплотнений. // Тезисы докладов к У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1988. С. 71-72

46. Гулый А.Н., Боровик И.В. Теоретические и экспериментальные исследования динамических параметров бесконтактных уплотнений. //

47. Тезисы докладов к У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1988. С. 73.

48. Савченко Е.Н. Оценка параметров плавающих уплотнений по амплитудным и фазовым характеристикам //Тезисы докладов к 1У Всесоюзному научно-техническому совещанию по уплотнительной технике. Сумы, 1985. С. 109.

49. Gecim Burak A. Nob-Newtonian effects of multigrade oils ob journal117.

50. Романенков А.Г. Гидродинамика и теплообмен в узлах уплотнений роторов турбомашин //Современные проблемы информатизации в технике и технологиях: Сб. трудов. Вып. 7. Воронеж. Центрально-Черноземное книжное издательство. 2002. С. 21-22.

51. Фалеев В.В. О математическом моделировании массопереноса в кольцевом канале //Теплоэнергетика: Межвуз.сб. научных трудов. Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 4-8.

52. Новиков П.А. О некоторых особенностях тепло- и массообмена при сублимации в разреженной .газовой среде //Тепло-и массоперенос. Минск: ИТМО АН БССР, 1965. С. 220-228.

53. Романенков А.Г. Об эффективности и целесообразности применения узлов уплотнений в лопаточных машинах энергоустановок //Современные проблемы информатизации: Сб. науч. тр. Воронеж: Центр. -чернозем, изд., 2003.