автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка методики проектирования уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения авиационного газотурбинного двигателя

На правах рукописи

МЯТЛЕВ Александр Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ВНУТРЕННЕГО ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Самара - 2012

005042922

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Фалелеев Сергей Викторинович. Официальные оппоненты:

Данильченко Валерий Павлович, доктор технических наук, профессор, ОАО «Кузнецов», главный конструктор;

Кулагин Виктор Владимирович, кандидат технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ), кафедра «Теория двигателей летательных аппаратов», профессор.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс» (ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс»), г. Самара.

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д.212.215.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.

Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета.

доктор технических наук

Головин А.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) сегодня -го отражение передовых достижений научно-технической мысли в области газовой инамики, теплообмена, теории горения, механики напряжённо-деформированного эстояния, надёжности и других. Широкое использование ГТД в технике предъявляет юбые требования к системам двигателя, обеспечивающим его надёжную работу: <лаждения элементов горячей части, наддува уплотнений масляных полостей охлаждения опор, разгрузки от действия осевой силы, герметизации узлов, управления щиальными зазорами в турбокомпрессоре, противообледенительной и другим. У этих 1стем есть общая черта - они используют воздух, отбираемый от рабочего процесса шгателя. Эти системы находятся в непрерывном тепловом, механическом или □одинамическом взаимодействии, и все они в своём составе содержат уплотнения, оэтому целесообразно представление этих систем в качестве компонентов единой 1стемы ГТД - системы внутреннего воздухоснабжения (СВВС).

В авиационном двигателестроении широко применяется системный подход, эи котором в качестве сложной системы высшего уровня выступает двигатель, в ходе ¡композиции разделяемый на подсистемы более низких уровней, одна из которых -ВВС, и выделяются функциональные связи между составляющими системы. С точки 1ения такого подхода, СВВС выступает в роли объекта, поскольку реализует конкретные ¡йствия - охлаждение деталей, герметизацию полостей и другие, а уплотнение -lk элемент объекта, поскольку создаёт полезный эффект только в составе объекта, оздание методики проектирования уплотнений в составе СВВС подразумевает ^явление вертикальных связей между объектами в сложной системе «газотурбинный шгатель» и горизонтальных связей между элементами в составе объекта «СВВС». оэтому важной и актуальной задачей является разработка такой методики и её :ализация в виде комплекса программ, что позволит создать научно-технический задел w дальнейшего совершенствования конструкций авиационных двигателей.

Целью работы является повышение эффективности авиационного газотурбинного шгателя и снижение сроков и затрат на его разработку за счёт создания методики юектирования уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения.

Объектом исследования являются процессы в системе внутреннего »здухоснабжения авиационного двигателя.

Предметом исследования является взаимовлияние системы внутреннего 'здухоснабжения и уплотнений различных типов.

На основании выбранной цели были поставлены следующие задачи исследования:

1) усовершенствование математической модели СВВС авиационного двигателя путём учёта характеристик входящих в неё уплотнений различных типов;

2) анализ влияния параметров уплотнений СВВС на термодинамические параметры авиационного двигателя и параметры системы;

3) создание методики проектирования уплотнений в составе СВВС авиационного ГТД с возможностью её интеграции в САПР двигателя;

4) проведение расчётных исследований существующих конструкций уплотнений и СВВС ГТД.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: :тоды математического анализа, расчёта гидравлических систем, теории теплообмена, ории ГТД, метод конечных элементов. В качестве инструментов решения задач ¡пользованы САПР «NX», «ANSYS», «FLUENT», «CFX», интегрирующая среда •ATRAN», а также языки программирования среднего уровня и языки сценариев [я автоматизации разработанных алгоритмов и обмена данными между компонентами.

Научной новизной обладают следующие результаты диссертационной работы:

1) 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;

2) 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;

3) 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;

4) 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.

4

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, поставлена цель исследования и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные проблемы проектирования СВВС и уплотнения как её составного элемента. Над этими вопросами работает ряд исследователей и организаций: А.Ф. Слитенко, Е.П. Дыбан, С.З. Копелев (г. Харьков, Украина); В.П. Данильченко, C.B. Фалалеев, М.В. Сухов, A.C. Виноградов (г. Самара, Россия); А.И. Леонтьев, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (г. Москва, Россия); ОАО НПО Сатурн (г. Рыбинск, Россия); A. Alexiou, К. Mathioudakis (Греция); С. Young, G.D. Snowsill (Великобритания); Т. Hirano, Z. Guo, R.G. Kirk (США); T.M. Speer, K.J. Kutz, Y. Muller (Германия) и др. Над современными вопросами проектирования и расчёта уплотнений различных типов работает множество научных школ: А.И. Белоусов, C.B. Фалалеев, A.C. Виноградов (г. Самара, Россия); А.И. Голубев, В.А. Мельник, E.H. Богомолов, Б.В. Брыкин (г. Москва, Россия); В.А. Марцинковский (г. Сумы, Украина); Ю.В. Рублёвский (Украина);\У. Haas, H.K. Mueller, К. Dullenkopf, H.J. Bauer (Германия); M. Oike, M. Nosaka, Y. Watanabe (Япония); A. Lebeck, F. Mahler, E. Boyes (США); I. Etsion (Израиль) и др.

В различных источниках для обозначения одной и той же системы двигателя используются разные термины: «secondary air system», «internal air», «система вторичных воздушных потоков». Поэтому в настоящей работе используется только термин СВВС, под которым понимается совокупность воздушных потоков, отбираемых из проточной части двигателя для обеспечения его надёжной работы.

Для рассматриваемого предмета исследования определён структурный состав СВВС, основанный на выполняемых системой функциях и их особенностях. Этими функциями, традиционно рассматриваемыми как функции подсистем ГТД, являются: охлаждение деталей, наддув уплотнений масляных полостей и охлаждение опор, разгрузка радиально-упорных подшипников от осевой силы, герметизация турбомашин, управление радиальными зазорами в турбокомпрессоре, обеспечение работы противообледенительной системы двигателя. Необходимость представления этих подсистем в форме единой системы показана на примере ТРДД со сверхвысокой степенью двухконтурности. В его конструкции системы охлаждения ТВД и ТНД разделены лабиринтным уплотнением, системы охлаждения турбины винтовентилятора, наддува уплотнений опоры турбины и разгрузки от осевой силы используют воздух из общей полости за последней ступенью турбины, а изменение утечки за КВД влияет на работу системы охлаждения ТВД. Анализ конструкции конкретного ГТД также показывает, что одним из наиболее важных элементов СВВС является уплотнение, поэтому его проектирование должно учитывать совместную работу всех элементов системы.

На примере ряда отечественных и зарубежных двигателей показано, что вместе с ростом параметров цикла происходит и усложнение СВВС (наблюдается общая тенденция к увеличению количества элементов). При этом, доля уплотнений в конструкции двигателя остаётся стабильно высокой (около 10% от общего числа элементов), что ещё раз подтверждает актуальность вопроса о рассмотрении уплотнения как составляющей СВВС. Поэтому, говоря об уплотнении в составе СВВС двигателя, необходимо вести речь обо всех типах уплотнительных устройств, применяемых в ГТД, в том числе о перспективных конструкциях торцовых бесконтактных уплотнений, щёточных и других. Анализ работ по созданию таких устройств и необходимость разработки универсальной модели, способной оперировать современными методами их расчёта, позволили сформулировать задачи исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению методики расчёта параметров СВВС ГТД. В практике расчёта параметров СВВС сформировалось несколько подходов, отличающихся трудоёмкостью и точностью результатов. Основная задача такого расчёта -определение термодинамических параметров воздуха во всех элементах системы. Её решение затрагивает вопросы газовой динамики, теплообмена и механики напряжённо-деформированного состояния каналов СВВС. В качестве исходных данных для расчёта выступают известная геометрия каналов и граничные условия.

Задача расчёта параметров СВВС может быть решена методами вычислительной газовой динамики. Расчёт как СВВС в целом, так и отдельных элементов позволяет получить высокую достоверность результатов, но обладает недостатками: длительностью расчёта, сложностью подготовки расчётных моделей.

Более широкое применение нашёл другой метод расчёта параметров СВВС, при котором каналы системы представляются в виде одномерной разветвлённой сети конечных элементов или графа (рисунок 1). В основе такого подхода лежит аналогия между гидравлической и электрической цепью, а применение методов поконтурной и поузловой увязки перепадов давления позволяет учесть сетевой характер задачи и свести расчёт системы к уравновешиванию перепадов давления на элементах контуров или расходов в узлах сети, исходя из законов Кирхгофа. При этом для описания связи потери давления и скорости потока используется формула Дарси-Вейсбаха.

Рисунок 1 - Пример представления СВВС в форме гидравлической цепи

Для рассмотрения СВВС в виде гидравлической цепи принимаются следующие допущения:

1) СВВС разбивается на элементарные составляющие (каналы), в пределах каждого из которых закономерности течения воздуха описываются одной зависимостью;

2) места соединения типовых элементов заменяются узловыми точками (узлами), течение, слияние и разделение потоков в которых считается происходящим без изменения давления;

3) типовые элементы соединяются между собой и с узловыми точками в той же последовательности, что и в реальной системе.

Использование этих допущений, а также равенство граничных условий позволяет обеспечить равенство расходов, давлений и скоростей между расчётной моделью и реальной системой. Точность как физического, так и математического моделирования любой системы будет определяться в основном выбором для её представления одной из следующих гидравлических цепей и соответствующей ей системы уравнений:

1) с сосредоточенными параметрами, когда все технические характеристики узлов и элементов, а также граничные условия считаются постоянными, не зависящими от потокораспределения (линейные сетевые и нелинейные замыкающие уравнения с постоянными коэффициентами);

2) с переменными параметрами, когда хотя бы часть технических и гидравлических параметров или граничных условий задаётся в виде функций от искомых величин, так что их физические значения являются переменными и определяются самим потокораспределением (уравнения общего характера с переменными коэффициентами);

3) с распределёнными параметрами - в случае наиболее строгого описания совместного изменения гидравлических параметров по элементам расчётной схемы (уравнения в интегральной и дифференциальной формах).

Для случая с сосредоточенными параметрами состояние системы описывается следующими уравнениями в матричной форме:

У1 я, МГ,2

У, н, 0

У». н„ 0

Q^

Ьи

Ь»

К

У, 0

X ■ У, 0

У„ 0

2

О

О

<71 • • 0 • • 0" Ч\

X 0 ■ • я, ■ ■ 0 X' Я:

0 ■ • 0 ■ ■ <7„_ я«.

2рХ

где ал=1, если узел у является начальным для элемента /, а,,—/. если узел у является конечным для элемента /, и ц,=0, когда узел у не принадлежит элементу /'; д, - расход через элемент; (2< - расход в узле; Ьы=1, если элемент / принадлежит контуру к и его ориентация совпадает с направлением обхода контура, Ьц—1, если элемент принадлежит контуру к и его ориентация противоположна направлению обхода, и Ьк1=0, если элемент не входит в контур к; у, - перепад давления в элементе; Я, - действующий напор в элементе; £ - коэффициент гидравлического сопротивления элемента; р, -плотность; /г, - эффективная площадь элемента.

В работе для расчёта параметров СВВС используется математическая модель эквивалентной гидравлической цепи, усовершенствованная путём учёта уплотнений следующих типов: лабиринтного, щёточного, торцового газодинамического и газостатического. В таблице 1 приведены аналитические зависимости для указанных типов уплотнений. Для определения коэффициента гидравлического сопротивления используется подход, заключающийся в расчёте гидравлической характеристики рассматриваемого уплотнения по специализированной расчётной методике, приведенной в литературе и подтверждённой сопоставлением с экспериментами.

и последующей её аппроксимации как функции параметров уплотнения. Предложенный подход также позволяет учитывать экспериментально полученные гидравлические характеристики уплотнений различных типов.

Таблица 1 - Аналитические зависимости для определения коэффицие сопротивления основных типов уплотнений роторов ГТД

нтов гидравлического

Тип уплотнения

Лабиринтное

Коэффициент гидравлического сопротивления

Гладкое лабиринтное уплотнение:

йлУ = = Ф"» ' Скст >

Ра. =1 + ^-1 - I ; А = 0,852°'94;/я = 0,52г°-21

Сотовое лабиринтное уплотнение:

тср сА и;

В = к1(п)--^ + кг (л); Е = £,(«)■ — + к, («); Рг Рг

к, (л) = (1,02« + 39,1) ■ Ю-3; кг (л) = -3,2 ■ 10"4 п + 0,31; к, (л) = (2,54л - 233,4) • 10"3; к, (л) = -7,9 ■ 10-1 л+ 2,03

Параметры

г - число гребней лабиринта; (5- радиальный зазор: А - шаг гребней лабиринта; п - частота вращения; <рс„, - коэффициент, учитывающий повышение утечки в гладком ЛУ по сравнению со ступенчатым

_ (1-/7)-4, (У ) 13(1-/7)-^

П - пористость; Ьщ - ширина щётки; р - динамическая вязкость газа; с!пр ~ диаметр проволоки;

площадь кольцевой щели; р — плотность газа; О —расход газа_

Торцовое газостатическое

Р\ + Рг

(а - л)'

Торцовое газодинамическое

¿|(")(л-рг)+Ь,(п)

О - диаметр пары трения;

С - коэффициент, учитывающий геометрию ТГСУ; Р1,Р2~ давление перед и за уплотнением; п - частота вращения подвижного кольца; р — плотность газа; Ао, В„, к,, Ъ, -коэффициенты аппроксимации гидравлической характеристики

Помимо уплотнений, при представлении СВВС в форме гидравлической цепи в работе используются следующие типы элементарных каналов: круглый канал, прямоугольный канал, кольцевой канал, междисковый канал, аппарат закрутки, канал с турбулизаторами, канал охлаждения в лопатках.

С учётом процессов теплообмена и расчёта напряжённо-деформированного состояния узлов и каналов СВВС наиболее приемлемым способом получения решения

является метод последовательных приближений. Для решения этой задачи целесообразно использовать комплекс методов и средств, определяя конкретные компоненты из условия поставленной задачи. Алгоритм такого решения показан на рисунке 2. Реализация этого алгоритма также позволяет определить тепловое состояние элементов конструкции двигателя.

В качестве критерия сходимости выступает температура стенок каналов, которая для первого шага расчёта задается на основе прототипа или инженерного опыта. Проведённые исследования показали, что количество последовательных приближений в расчёте зависит от типа используемых уплотнений. Практика показала, что для СВВС с лабиринтными уплотнениями достаточно 30-35 итераций.

Предложенный алгоритм может быть использован для расчёта изменения радиальных зазоров в турбокомпрессоре двигателя и проектирования системы правления радиальными зазорами. При этом делается допущение, что изменение ермодинамических параметров газа в граничных точках происходит мгновенно, процессы в СВВС считаются квазистационарными и рассчитывается изменение еплового состояния и геометрии конструкции во времени.

Рисунок 2 - Алгоритм расчёта параметров СВВС

В третьей главе производится анализ влияния параметров уплотнений СВВС на термодинамические параметры ГТД. Расчёт влияния изменения расхода через одно из уплотнений системы воздухоснабжения производится на базе методов теории ГТД и основан на анализе влияния изменения отборов воздуха из тракта двигателя на термодинамические параметры: тягу, удельный и часовой расход топлива и другие.

На примере отбора воздуха от промежуточных ступеней КВД ТРДЦ большой тяги с подпорными ступенями, где воздух, отбираемый за четвёртой ступенью, поступает в разгрузочную полость турбины, откуда через лабиринтные уплотнения попадает в буферную полость и далее сбрасывается на срез сопла внутреннего контура, то есть формально возвращается в проточную часть, показано, что увеличение радиального зазора в одном из уплотнений разгрузочной полости приводит к снижению тяги газогенератора, тяги наружного контура и увеличению удельного расхода топлива.

Такой анализ позволяет качественно показать, как влияет работа одного из уплотнений СВВС на параметры ГТД, но, к сожалению, не даёт количественной оценки этому влиянию. Поэтому на основе анализа влияния отборов, проведённого в настоящей главе, сформирован алгоритм, позволяющий методом последовательных приближений определить количественное влияние параметров уплотнения в составе СВВС на параметры двигателя (рисунок 3).

Рисунок 3 - Алгоритм оценки влияния уплотнения на параметры двигателя

Укрупнённо этот алгоритм включает в себя следующую последовательность действий: после приращения одного из конструктивных параметров, определяющих утечку через рассматриваемое уплотнение, методом последовательных приближений рассчитываются параметры СВВС. Далее определяются величины отборов воздуха от тракта и их относительные величины по расходам через характерные сечения, рассчитанным на предыдущем шаге либо по исходным значениям на первом шаге решения. С учётом характеристик узлов двигателя рассчитываются термодинамические параметры по методике приближённого расчёта и сравниваются расходы через характерные сечения отборов с определёнными ранее. При достижении точности по расходу производится уточнение по давлению и температуре в граничных точках СВВС и повторение цикла. Далее определяется тепловое и напряжённо-деформированное состояние каналов СВВС, по результатам которых расчёт уточняется. При достижении заданного относительного изменения параметров от итерации к итерации определяются термодинамические параметры ГТД (тяга, расход топлива и т.д.).

Для расчёта параметров двигателя при реализации данного алгоритма используется автоматизированная система термогазодинамического расчёта и анализа газотурбинных двигателей (АСТРА 3), созданная на кафедре «Теория двигателей летательных аппаратов» СГАУ. При этом расчёт параметров СВВС проводится по методике, разработанной во второй главе настоящей работы.

На основе математической модели СВВС, усовершенствованной путём учёта характеристик уплотнений различных типов, а также рассмотренных алгоритмов расчёта в работе предложена методика проектирования уплотнений в составе СВВС

авиационного ГТД. Эта методика условно может быть разделена на два этапа: этап выбора типа и параметров уплотнения и этап оптимизации его конструкции.

Первый этап методики проектирования уплотнений заключается в решении обратной задачи расчёта параметров СВВС, т.е. определении таких значений коэффициентов гидравлических сопротивлений и площадей характерных сечений уплотнений, которые позволят обеспечить требуемые параметры системы. Для этого при решении системы уравнений, описывающей состояние эквивалентной гидравлической цепи, вводятся дополнительные уравнения, устанавливающие ограничения на работу рассматриваемых участков СВВС (постоянство расхода, относительной величины отбора, температуры в канале и др.), а значение коэффициента гидравлического сопротивления определяется как неизвестная величина. Решение такой системы уравнений на стационарном режиме позволяет установить связь между коэффициентом гидравлического сопротивления уплотнения и площадью характерного сечения, при которых достигаются требуемые параметры СВВС. Расчёт системы на всех режимах работы двигателя даёт требуемую характеристику уплотнения в составе конкретной конструкции СВВС и показывает, как должны изменяться параметры элемента гидравлической цепи при изменении граничных условий (например, перепада давления на уплотнении). Характер таких кривых позволяет выбрать тип уплотнительного устройства, поскольку разные уплотнения обладают различными гидравлическими характеристиками, а рассчитанные величины площади эффективного сечения и коэффициента гидравлического сопротивления используются для назначения конструктивных параметров уплотнения выбранного типа.

Температура стенок в первом приближении

ТГД-расчёт на режимах полетного цикла (АСТРА)

Модель СВВ (EXCEL)

Распределение параметров по ступеням (EXCEL)

Начальная конфигурация СВВ (3 СЗУ- файла)

Результаты теплового расчета (СБУ-файл)

Скорректированная геометрия (СЭ\/-файл)

Расчет гидравлики (МАТНСАО)

Преобразование результатов в файл ANSYS INPUT

Расчет теплового состояния (АЖУв)

Передача результатов теплового расчета (ВД АМЗУЗ)

Расчет деформаций (А^Ув)

Осесимметричная геометрическая модель (МХ)

Конечно-элеме (РАТ нтная модель Р^АЫ)

Назначение мониторных точек (файл ANSYS INPUT)

Назначение мониторных точек (файл ANSYS INPUT)

Визуализация peэyльтaтoв(EXCEL)

Рисунок 4 - Схема взаимодействия программных модулей

Второй этап методики проектирования уплотнений может быть представлен следующей последовательностью:

1) для выбранной конструкции уплотнения проводится расчёт СВВС;

2) даётся оценка влиянию параметров герметичности рассматриваемого уплотнения на работу системы и термодинамические параметры двигателя;

3) в зависимости от уровня влияния герметичности уплотнения, делается вывод о необходимости корректировки конструкции СВВС или уплотнительного устройства. Если необходимо уточнение конструкции, то расчёт повторяется;

4) проводится расчёт СВВС по всему циклу работы двигателя, определяются деформации элементов ГТД и их влияние на работу уплотнения; если присутствуют недопустимые деформации и прогнозируется касание ротора и статора, то параметры уплотнения уточняется;

5) определяется окончательная конструкция проектируемого уплотнения. Реализация разработанной методики осуществлена на базе существующих

программных модулей расчёта и анализа, а также созданных автором командных сценариях, позволяющих автоматизировать процесс. На рисунке 4 показана схема взаимодействия компонентов программного комплекса для определения параметров СВВС, которая необходима для реализации сформированной методики. Передача и конвертация промежуточных результатов, а также управление процессом расчёта в приведённой схеме реализованы с помощью языка сценариев BASH, который входит в состав большинства LINUX-дистрибутивов.

В четвёртой главе приведены результаты применения разработанной методики проектирования уплотнений к конструкциям существующих двигателей на примере ТРДЦ большой и сверхвысокой степени двухконтурности. Приведённые результаты соответствуют рассмотрению стационарных режимов работы двигателя.

По разработанной методике оценки влияния параметров уплотнения на параметры двигателя проведено исследование уплотнения в составе подсистемы разгрузки радиально-упорного подшипника от действия осевой силы двигателя большой тяги (рисунок 5). Рассмотрено влияние изменения радиального зазора и количества гребней в лабиринтном уплотнении на расход воздуха через уплотнение, перепад давления, давление в разгрузочной полости, отбор воздуха на обеспечение ра*грузки, удельный и часовой расходы топлива, тягу и удельную тягу двигателя (рисунок 6). Исследования показали, что при изменении зазора от 0,6 до 1,8 мм давление в полости разгрузки уменьшается с 183,4 кПа до 89,2 кПа (на 51,3%), а осевая сила увеличится на 32 кН. При этом происходит увеличение удельного расхода топлива на 0,07%, снижение удельной тяги на 0,12%, увеличение расхода топлива на 0,1% и снижение тяги двигателя на 0,17%. На основе полученных данных был произведён выбор оптимальных параметров уплотнения с целью обеспечения наилучших термодинамических параметров ГТД и выполнения функций системы разгрузки.

/

56,30 ---------—.......4-------------------.........................................64,80

0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

Радиальный зазор, мм Радиальный зазор, мм

Рисунок 6 - Влияние радиального зазора и числа гребней лабиринта на термодинамические параметры ТРДЦ большой тяги

65,00 64,96 64,92 64,88 64,84

Для уплотнения за РК ТНД показано влияние радиального зазора в уплотнении на распределение потоков в каналах СВВС (рисунок 7). На основании расчёта определено, что при увеличении радиального зазора свыше 0,52 мм давление в буферной полости опоры превышает допустимое значение и горячий воздух от системы герметизации ТНД начинает в малом количестве поступать в масляную полость, а температура воздуха в предмасляной полости повышается.

Наддув уплотнений МП; ........Герметизация ТНД;--Утечка газа за ТВД

Рисунок 7 - Изменение картины течений в каналах СВВС двигателя при изменении зазора

Дальнейшее увеличение зазора в интервале 0,65... 1,20 мм приводит к снижению давления в полости герметизации ТНД и горячий газ поступает во внутренние полости ГТД. При зазоре 1,37...1,41 мм наблюдается утечка из КВД под ротором, вытесняющая воздух от системы наддува уплотнений масляных полостей, и втекание воздуха в предмасляную полость с правой стороны опоры. Увеличение зазора свыше 1,41 мм приводит к нарушению условий работы опоры и значительному изменению картины течения в СВВС.

Для уплотнения за КВД ТРДЦ со сверхвысокой степенью двухконтурности (рисунок 8) с помощью сформированной методики проектирования уплотнений показано влияние утечки воздухана температурное состояние деталей и функции

системы охлаждения ТВД. При величине утечки закомпрессорного воздуха 0,6% (номинал) расход через уплотнение над подкручивающей решёткой практически отсутствует; снижение утечки приводит к росту расхода через это уплотнение. При увеличении утечки наблюдается обратное течение в лабиринте над аппаратом закрутки, т.е. происходит подмешивание горячего воздуха к охлаждающему. Это приводит к повышению температуры воздуха, поступающего в рабочее колесо ТВД, и в результате негативно сказывается на тепловом состоянии лопаток турбины.

Рисунок 8 - Уплотнение за КВД двигателя НК-93

Рассчитанные значения температур элементов двигателя и параметры воздуха в каналах СВВС показали хорошее соответствие со значениями, предоставленными фирмой-разработчиком двигателя (ОАО «Кузнецов»), В таблице 2 приведены значения температуры элементов турбины двигателя, в таблице 3 - сравнение давлений и температур воздуха в каналах СВВС.

Таблица 2 - Сравнение рассчитанных значений температур элементов турбины с данными фирмы-разработчика_

Место замера температуры Рассчитанное значение, °С Результаты термометрирования, °С Расхождение, %

Ступица диска ТВД 592 605 -2,1

Экран диска ТВД 718 790 -9,1

Стойка опоры 459 432 6,3

Задний лабиринт опоры 232 221 5,0

Таблица 3 - Сравнение рассчитанных параметров воздуха в полостях турбины с данными фирмы-

разработчика (обозначение узлов соответствует рисунку 1)

Узел Давление Температура

Рассчитанное, МПа Замеренное, МПа Расхождение, % Рассчитанная, К Замеренная, К Расхождение, %

16 0,44 0,48 -8,3 679 642 5,8

161 2,74 2,70 1,5 848 889 4,6

169 1,04 1,01 3,0 908 947 -4,1

171 1,04 1,01 3,0 1017 1036 -1,8

181 1,92 2,06 -6,8 883 906 -2,5

Заключение

В результате проведённых исследований создана комплексная методика проектирования уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения авиационного ГТД. Эта методика является инструментом, открывающим путь к дальнейшему повышению эффективности двигателя, поскольку делает возможным достижение такого компромисса, когда при минимальных затратах воздуха, отбираемого из проточной части двигателя, обеспечивается выполнение всех требований к системе внутреннего воздухоснабжения. Она учитывает совместную работу уплотнений СВВС, взаимное влияние параметров уплотнений и параметров системы, показывает количественную связь между термодинамическими параметрами ГТД и характеристиками уплотнений. Применение этой методики не ограничивается сферой проектирования двигателя: с её помощью можно оценить, как отклонения размеров и формы элементов уплотнений влияют на тягу, удельный расход топлива и другие параметры ГТД, что можно использовать при выборе точности изготовления деталей, а использование этой методики на стадии доводки двигателя позволит на основе фактических характеристик системы внутреннего воздухоснабжения сформировать мероприятия, проведение которых позволит обеспечить требуемый уровень параметров СВВС, снизив сроки и стоимость доводки двигателя.

По результатам работы сформулированы следующие выводы:

1. На основе полученных аналитических зависимостей для коэффициентов гидравлических сопротивлений уплотнений различных типов усовершенствована математическая модель СВВС ГТД, что позволяет исследовать СВВС с лабиринтными, щёточными, торцовыми газодинамическими и газостатическими уплотнениями. Использованный подход также позволяет использовать в расчёте СВВС экспериментальные гидравлические характеристики уплотнений любых типов.

2. Создана комплексная методика проектирования уплотнений в составе СВВС ГТД, реализованная в виде алгоритмов расчёта параметров СВВС, расчёта влияния изменения параметров уплотнения на термодинамические данные ГТД и выбора типа и конструкции уплотнения, позволяющих реализовать установленные требования к СВВС.

3. На основе алгоритма расчёта параметров СВВС создан вычислительный комплекс, состоящий из современных САО/САЕ-пакетов и разработанных программ, автоматизирующих процесс расчёта и передачу данных между компонентами комплекса, который легко может быть интегрирован в САПР двигателя.

4. Расчётные исследования показали, что изменение зазора в лабиринтном уплотнении разгрузочной полости ТРДЦ с 0,6 до 1,8 мм приводит к снижению давления в полости разгрузки на 51,3%, увеличению осевой силы, действующей на радиально-упорный подшипник, на 32 кН, снижению тяги на 0,17% и росту удельного расхода топлива на 0,1%. Исследование уплотнения за рабочим колесом ТНД двигателя показало, что увеличение зазора с 0,52 до 1,2 мм приводит к утечке горячего газа из проточной части турбины с расходом 0,24 кг/с, часть которой из-за нарушения условий работы предмасляной полости поступает в опору турбины. Расчётами показано, что изменение величины зазора в лабиринтном уплотнении за КВД приводит к утечке охлаждающего воздуха (до 0,13% от расхода через 1 СА) или подмешиванию горячего воздуха к охлаждающему (до 0,14%).

5. Рекомендации по оценке влияния конструктивных элементов уплотнений в условиях работы двигателя на его термодинамические параметры внедрены в ОАО «Кузнецов», а также используются в конструкторской практике СКБ ООО «Самара-Авиагаз». Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс СГАУ.

Перечень публикаций по теме диссертационной работы

Статьи в журналах из перечня ведущих периодических издании, рекомендованных ВАК:

1. Мятлев, A.C. Проектирование уплотнений в составе системы охлаждения газотурбинного двигателя [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва. -Самара 2009 -№3(19) Ч 1С. 217-221. п

2. Мятлев, A.C. Анализ влияния характеристик уплотнений в системе внутреннего воздухоснабжения на параметры эффективности АД и ЭУ [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев, А.Ю. Тисарев, A.B. Иванов // Вестник Воронежского государственного технического университета - Воронеж 2011 -Т.7, №5. - С. 167-170.

3. Мятлев, A.C. Комплексное проектирование уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения авиационного двигателя [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев, А.Ю. Тисарев // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара, 2011. - Т. 13, №6. - С. 152-158.

4. Мятлев, A.C. О проектировании уплотнений как элемента систем авиационного двигателя и энергетической установки [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев // Журнал «Естественные и технические науки». - Москва, Изд-во «Спутник+», 2011. - №4. - С.397-400.

Прочие публикации:

5. Мятлев, A.C. Комплексное проектирование узлов авиационного двигателя [Текст] / C.B. Фалалеев, A.C. Демура, И.А. Жданов, A.C. Мятлев, А.П. Ремпель // Рецгетнёвские чтения: материалы XII междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем ак. М.Ф. Решетнёва. - Красноярск: САУ, 10-12 нояб. 2008. - С.80-81.

6. Мятлев, A.C. Проектирование элементов авиационного двигателя с интегрированным использованием CAD/CAE-пакетов [Текст] / C.B. Фалалеев, A.C. Демура, И.А. Жданов, A.C. Мятлев // Новые материалы и технологии - НМТ-2008: материалы Всерос. научн-техн конф. -М.: МАТИ, 11-12 нояб. 2008 -Т. 3. -С.188-189.

7. Мятлев, A.C. Использование информационных технологий при проектировании узлов авиационного двигателя [Текст] / A.C. Демура, И.А. Жданов. A.C. Мятлев, А.П. Ремпель // Мавлютовские чтения: труды Всерос. молодеж. науч. конф. - Уфа: УГАТУ, 2008. - Т. 1. - С. 25.

8. Мятлев, A.C. Проектирование уплотнений в составе системы охлаждения газотурбинного двигателя [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев // Материалы МНТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». - Самара, 2009. -4.1. -С.210-212.

9. Мятлев, A.C. Анализ влияния характеристик уплотнений в системе внутреннего воздухоснабжения на параметры эффективности АД и ЭУ [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев, А.Ю. Тисарев // Труды Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая техника и технология». - Воронеж, 2010. - С. 102-105.

10. Мятлев, A.C. Оценка влияния герметичности уплотнений системы внутреннего воздухоснабжения АД и АЭ на параметры эффективности двигателя [Электронный ресурс] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев, А.Ю. Тисарев // Авиадвигатели XXI века: материалы конф. -Электрон, дан. - М.: ЦИАМ, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

11. Мятлев, A.C. Исследование взаимного влияния характеристик уплотнения на параметры систем в составе авиационного двигателя и нагнетателя [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев, А.Ю. Тисарев // Труды I научно-практической конференции молодых специалистов и учёных OAK «Инновации в авиастроении». Сборник статей. - Казань, 2010. - С. 126-128.

12. Мятлев, A.C. Исследование работы уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабжения двигателя НК-93 [Текст] / A.C. Виноградов, A.C. Мятлев, А.Ю. Тисарев И Труды 6-й всероссийской конференции творческой молодежи «Актуальные проблемы авиации и космонавтики». - Красноярск, 2010. - С. 145-146.

13. Мятлев, A.C. Проектирование уплотнительных систем для авиационных двигателей и наземных энергетических установок [Текст] / C.B. Фалалеев, A.C. Мятлев, М.Ю. Вавин, А.Ю. Тисарев // НТК «Вибронадежность и герметичность центробежныхтурбомашин». -Сумы (Украина), 2011. -С. 10-15.

Подписано в печать: 20.04.2012 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать оперативная. Объем: 1 усл. печ. л. Тираж: 100 экз. Отпечатано в типографии издательства СГАУ 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

61 12-5/3294

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СГАУ)

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ВНУТРЕННЕГО ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ АВИАЦИОННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.07.05 — Тепловые, электроракетные двигатели и

На правах рукописи

Мятлев Александр Сергеевич

энергоустановки летательных аппаратов

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Фалалеев С.В.

Самара 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень условных обозначений...........................................................................5

Введение...................................................................................................................9

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..............................................................................................17

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 0 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..............27

1.4 Краткий анализ конструкций СВВС газотурбинных двигателей...........28

1.5 Краткий анализ основных типов уплотнений ГТД..................................33

1.5.1 Лабиринтное уплотнение.....................................................................33

1.5.2 Торцовые контактные уплотнения......................................................35

1.5.3 Радиально-торцовые контактные уплотнения...................................38

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........................................59

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....................................................................64

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..........................................................................................97

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..................................................................................................128

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................................................................................ 149

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

Обозначения

А — Матрица соединений для линейно-независимых узлов

а — Размер стороны шестигранника сотового уплотнения, м

В — Матрица контуров

с — Скорость потока рабочего тела, м/с

ср — Теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кг К)

Суд — Удельный расход топлива, кг/(Н-ч)

СА — Коэффициент расхода

и — Диаметр, м

йг — Гидравлический диаметр, м

Р — Площадь, м2

в — Массовый расход воздуха (газа), кг/с

Су, — Часовой расход топлива, кг/ч

в — Относительный расход

н — Вектор действующих напоров

к — Шаг гребней лабиринтного уплотнения, м;

1 — Длина канала, м

ь — Удельная работа, Дж/кг

м — Число Маха

N — Мощность, Вт

п — Частота вращения ротора, 1/с

Р — Тяга, Н

р 1 уд — Удельная тяга, м/с

Р — Статическое давление, Па

р -— Полное давление, Па

т — Температура, К

т* 1 г — Температура газа перед турбиной, К

Я — Вектор узловых расходов

я — Массовый расход жидкости, кг/с

д( Я) — Газодинамическая функция расхода

Я — Газовая постоянная, Дж/(кг-К)

Ь — Гидравлическое сопротивление А>го канала

м> — Средняя скорость потока, м/с

X — Диагональная матрица расходов

X — Вектор расходов на ветвях графа

У — Вектор перепадов давления на ветвях графа

2 — Количество гребней лабиринтного уплотнения

а — Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К)

8 — Радиальный зазор, м

— Коэффициент гидравлического сопротивления

Р — Плотность, кг/м3

¡X — Динамическая вязкость, Па с

& — Коэффициент переноса кинетической энергии

Г] — Коэффициент полезного действия

V — Коэффициент изменения массы

* л — Степень повышения давления

Я — Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К)

0) — Угловая скорость вращения, рад/с

Ыи — Число Нуссельта

Ые — Число Рейнольдса

Сокращения

вв — Винтовентилятор

ВНА — Входной направляющий аппарат

ГТД — Газотурбинный двигатель

ГПА — Газоперекачивающий агрегат

квд — Компрессор высокого давления

кнд — Компрессор низкого давления

кпд — Коэффициент полезного действия

КС — Камера сгорания

кед — Компрессор среднего давления

ЛА — Летательный аппарат

лм — Лопаточная машина

ЛУ — Лабиринтное уплотнение

РК — Рабочее колесо

РИА — Регулируемый направляющий аппарат

РТКУ -— Радиально-торцевое контактное уплотнение

РТУ — Радиально-торцевое уплотнение

РУП — Радиально-упорный подшипник

СА — Сопловой аппарат

САУРЗ — Система автоматического управления радиальными зазорами

САПР — Система автоматического проектирования

СВВС — Система внутреннего воздухоснабжения

ТЕКУ — Торцевое бесконтактное уплотнение

ТВД — Турбина высокого давления

ТГДУ — Торцевое газодинамическое уплотнение

ТГСУ — Торцевое газостатическое уплотнение

ТКУ — Торцевое контактное уплотнение

ТНД — Турбина низкого давления

ПОС — Противообледенительная система

ТРДД — Турбореактивный двухконтурный двигатель

ЩУ — Щеточное уплотнение

ВВЕДЕНИЕ

За более чем 60 лет, прошедшие с момента внедрения газотурбинной техники в широкое серийное производство, авиационный газотурбинный двигатель фактически стал отражением всех передовых достижений научно-технической мысли. Эти достижения основаны на фундаментальных исследованиях в области газовой динамики, теплообмена, теории горения, материаловедения, конструкционной прочности, теории управления и диагностики, надёжности и других дисциплин. За свою историю авиационный газотурбинный двигатель прошел пять поколений развития, многократно улучшив свои параметры: суммарная степень повышения давления в компрессоре увеличилась более чем в 10 раз, температура газа перед турбиной возросла с 1000...1150 К в двигателях 1-го поколения до 1850... 1900 К в современных двигателях У-го поколения. Непрерывное улучшение параметров цикла многократно увеличило энергоемкость газа, проходящего через газогенератор двигателя. Увеличившаяся более чем в 20 раз по сравнению с первыми серийными ГТД работоспособность газа, проходящего через газогенератор современного двигателя, способствовала не только повышению экономичности двигателя, но и значительному увеличению объемной тяги и снижению массы двигателей. При этом ресурс двигателей вырос с нескольких сотен часов во 2-ом поколении до 20...30 тыс. полетных циклов, что эквивалентно 50...70 тыс. часов эксплуатации и приближается к ресурсу планера [1].

Помимо использования в качестве силовой установки в авиационной технике, ГТД получает все более широкое применение в энергетике, промышленности и на транспорте. Современная газотранспортная сеть России и других стран в большинстве своем построена на газоперекачивающих агрегатах мощностью до 40 МВт с газотурбинным приводом (доля ГПА с газотурбинным приводом в парке ОАО «Газпром» составляет 86,9% от общего количества). Кроме этого, ГТД применяется

в качестве приводов электрогенераторов в составе объектов энергетики (около 91% рынка производства ГТД для наземного применения), приводов транспортных средств и боевой техники (около 5%), генераторов сжатого воздуха и горячего газа, приводов движителей морских судов (около 4%), механических приводов на морских платформах добычи нефти и газа, на экранопланах и в других современных областях промышленности [2]. Так, в условиях медленно растущего рынка энергопроизводящего оборудования в конце 80-х годов XX века, газотурбинные установки комбинированного цикла испытали небывалый скачок спроса с 10% в 1987 году до более 35% в 1993 году. В условиях последующего интенсивного роста мирового топливно-энергетического комплекса подобные установки занимают сравнительно постоянную долю рынка (около 30%) и по настоящий день [3].

Повышение параметров цикла ГТД не может происходить бесконечно: уже сейчас, когда температура на входе в турбину приближается к стехиометрической, вопрос организации эффективного охлаждения деталей «горячей» части двигателя стоит особенно остро, поскольку температуры потоков существенно превышают рабочий диапазон применяемых материалов. Начиная с температуры 1200 К, как правило, применяются охлаждаемые турбины. Ориентировочно можно считать, что на каждые 100° увеличения температуры перед ступенью турбины сверх 1200 К величина отбора воздуха от компрессора на нужды охлаждения увеличивается на 1% от расхода через газогенератор двигателя. То есть, в современном двигателе с температурой перед турбиной 1800 К около 6% воздуха преднамеренно (частично либо полностью) исключается из цикла двигателя на нужды системы охлаждения только одной ступени ТВД. В целом же, отбор воздуха на охлаждение современной турбины может достигать 10... 15% [4]. Сказанное приводит к необходимости достижения компромисса, когда при минимальных затратах воздуха, отбираемого от компрессора на нужды двигателя, обеспечивалась его надёжная работа.

Такой компромисс может быть достигнут только при эффективном

использовании воздуха двигателя. Поэтому к уплотнению, как к наиболее значимому элементу системы внутреннего воздухоснабжения, также необходимо предъявлять новые, более жёсткие требования в части его эффективности. При этом нельзя говорить только о минимизации утечек через конкретное уплотнение в составе какой-либо подсистемы: как будет показано позднее, изменение утечки через различные уплотнения по-разному влияет на эффективность работы подсистем, температурное состояние двигателя, его термодинамические параметры. Поэтому необходима простая и надёжная методика, по которой можно определить «место» уплотнения в составе двигателя. Все это позволит сделать оптимизацию конструкции уплотнения многокритериальной, а также принять решение о целесообразности использования тех или иных типов и конструкций уплотнений в различных узлах ГТД. Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации существующих конструкций двигателей, а также при разработке новых авиационных приводов для энергетики.

Цель диссертационной работы — повышение эффективности авиационного газотурбинного двигателя и снижение сроков и затрат на его разработку за счёт создания методики проектирования уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения.

В работе обобщены выполненные автором разработки в области создания методики проектирования уплотнений в составе системы внутреннего воздухоснабжения авиационных газотурбинных двигателей.

В первой главе проведено исследование современного состояния вопросов проектирования СВВС авиационных двигателей, предложена их классификация и обзор существующих конструкций, проведён анализ публикаций по тематике диссертационной работы, сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассматривается алгоритм расчёта параметров потоков в каналах СВВС, типовые элементы СВВС и процессы теплообмена в них,

проведен обзор исходных данных, а также предложен алгоритм представления уплотнений любых типов в составе СВВС.

В третьей главе разработаны алгоритм оценки влияния параметров уплотнения на термодинамические параметры ГТД, алгоритм выбора типа и параметров уплотнения на основе рассчитанных параметров СВВС и сформулирована непосредственно методика проектирования уплотнений в составе СВВС авиационного газотурбинного двигателя.

В четвертой главе рассматривается практическое применение разработанной методики, показан расчёт коэффициентов гидравлического сопротивления различных типов уплотнения на основе предложенных аналитических зависимостей, исследовано влияния параметров уплотнений ТРДД с большой степенью двухконтурности на термодинамические параметры ГТД и работу СВВС.

Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, методы расчёта гидравлических систем, теории ГТД, теории теплообмена, метод конечных элементов. В качестве инструментов решения поставленных задач использованы САПР «NX», «ANSYS», «PATRAN», «FLUENT» и «ANSYS CFX», а также языки программирования среднего уровня и командные сценарии для организации передачи данных между отдельными комплексами и автоматизации разработанных алгоритмов.

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем и обладающие научной новизной:

1 Усовершенствованная модель СВВС ГТД, учитывающая в матрице гидравлических сопротивлений полученные аналитические зависимости для уплотнений различных типов, и позволяющая исследовать взаимное влияние параметров уплотнений и системы.

2 Методика проектирования уплотнений в составе СВВС ГТД, реализованная в виде алгоритмов расчёта параметров СВВС, расчёта

влияния параметро�