автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Создание методов и средств проектирования торцовых бесконтактных уплотнений двигателей летательных аппаратов

РГ6 од

1 2 АВГ 199Ь

На правах рукописи

ФАЛАЛЕЕВ СЕРГЕЙ ВИКТОРИНОВИЧ

СОЗДАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ I ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТОРЦОВЫХ БЕСКОНТАКТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07.05 - Тепловые двигатели

летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара 1996

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, академик Международной инженерной академии, д.т.н., проф. Д.Е.Чегодаев

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

В.Н.Орлов Доктор технических наук, профессор Ю.А.Равикович Доктор технических наук, профессор Е.В.Шахматов

Ведущая организация - АО "Самарское конструкторское бюро машиностроения"

Защита состоится "_"_ 1996 г. в_час. на заседании диссертационного совета Д 063.87.01 в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Н. Коптев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эксплуатационные параметры двигателей летательных аппаратов (ДЛА) определяются допустимыми в их системах величинами рабочих давлений и скоростей, пределы которых в основ-юм диктуются состоянием уплотнительной техники. Среди проблем, возникающих при создании болылересурсных двигателей, проблема уп-нотнений занимает одно из ведущих мест. Конструирование и применение уплотнений в ДЛА требует учета многих факторов, которые эбычно не являются критическими для других областей техники.

'В настоящее время торцовые уплотнения являются основным классом уплотнительных устройств. Постоянно повышающиеся требования к надежности, герметичности и массе уплотнений вызывают интерес к торцовым уплотнениям с газовой или жидкостной смазкой, или торцовым бесконтактным уплотнениям (ТбКУ). Пленка смазки создается за счет использования гидростатического и гидродинамического принципов, а также при обратном нагнетании утечек жидкости назад в уплотняемое пространство посредством особого структурирования уплотнительных поверхностей. Такое уплотнение должно работать без изнашиваемости пары трения с малой утечкой. ТбКУ способны решить многие задачи, связанные с ростом надежности и экономичности двигателей. Однако многочисленные попытки отечественных и зарубежных исследователей расширить область применения ТбКУ по частотам вращения роторов, перепадам давления и температуры сред, обеспечить их многорежимность лишь способствовали утверждению мнения, что существующие конструкции и методы их расчета еще не совершенны, а проблема создания надежных уплотнений ДЛА до сих пор не решена. Поэтому возникает необходимость в системном подходе к исследованию и проектированию ТбКУ с учетом реальных условий эксплуатации, в создании базы данных по типам и характеристикам уплотнений и их элементов, в разработке перспективных конструкций уплотнений ДЛА. Результаты исследований могут быть использованы для отработки существующих изделий на повышенный ресурс.

Цель работы. Исследование протекающих в ТбКУ процессов, связанных с влиянием конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов, а также при работе их в составе турбомашины; разработка на его основе более совершенных методик расчета, методологии проектирования и перспективных конструкций ТбКУ.

Задачи исследования: - Создание базы знаний об объекте исс-

ледования. Важнейшей частью ТбКУ является смазочный слой. Необходимо определить его гидродинамические характеристики с учетом отклонений геометрической формы зазора от плоскопараллельной, шероховатости поверхностей, конвективных сил инерции. Для газа следует учесть истечение со скоростью звука, а для жидкости - возможность кавитации. Необходимо также создать методики расчета течения газа в торцовых уплотнениях с различными видами профилированной пары трения с учетом конусности зазора, проанализировать характеристики элементов ТбКУ (дросселей и фильтров, вторичных уплотнений, материалов для пар трения), необходимых при их проектировании.

- На основе анализа причин возникновения деформаций и исследования их влияния на характеристики уплотнений необходимо сформулировать принципы и пути снижения величины деформаций и их влияния на работоспособность уплотнений. Разработать методики расчета перспективных эластичных и щеточных уплотнений. Провести исследование динамики уплотнений с учетом реальных конструктивных и эксплуатационных факторов и сложного динамического нагружения, позволяющее более обоснованно выбирать параметры торцовых уплотнений. Исследовать влияние многорежимности турбомашины на paôOTV различных типов торцовых уплотнений, сформулировать принципы v пути обеспечения многорежимности ТбКУ. Рассмотреть работу торцового уплотнения в составе роторной системы.

- Опираясь на разработанные методики анализа ТбКУ, необходимо сформулировать принципы проектирования высокоэффективных и надежных торцовых уплотнений, создать методики их проектирования, г также разработать перспективные конструкции ТбКУ и определить области оптимального применения того или иного типа уплотнений.

Методы исследований. В работе проведен теоретический анали; течения жидкости и газа в элементах ТбКУ на основе совместное решения системы дифференциальных уравнений движения, неразрывности, состояния, теплопроводности и колебаний ТбКУ с использование) методов: ..малых возмущений, численного разностного, метода конечных элементов, теории автоматического регулирования и других, - < представлением зависимостей в безразмерном (критериальном) виде i выполнением расчетов с использованием IBM PC и SUN. Достоверност] принятых допущений и полученных результатов подтверждена экспериментами на стендах и натурных изделиях, а также сравнением с экспериментальными данными других исследователей.

Объекты исследования: торцовые и радиально-торцовые уплотне-

ния с гидродинамическими и гидростатическими камерами, с жесткими и податливыми уплотнительными поверхностями применительно к уплотнениям масляных полостей опор роторов авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), концевым и буртов крыльчаток турбонасосных агрегатов (ТНА), опор роторов других турбомашин. В работе в основном рассматривается газовый слой, так как в турбомашинах ДЛА чаще всего используются газы и сжимаемые жидкости.

Научная новизна. Разработана расчетная модель ТбКУ. Созданы методики расчета статических и динамических характеристик тонкого слоя жидкостной и газовой смазки с учетом вращения и шероховатости уплотнительных поверхностей, волнистости и конусности зазора, конвективных сил инерции, критического истечения газа, а также разрыва смазочного слоя, двухфазности течения. Получены аналитические зависимости для расчета течения в уплотнениях с профилированными уплотнительными поверхностями (газостатические и газодинамические камеры) при наличии конусного, зазора.

Разработаны принципы и пути создания работоспособных в условиях деформаций уплотнений. Предложены перспективные конструкции уплотнений с эластичной поверхностью и щеточных на основе пористого упругодемпфирующего материала МР, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, и созданы методики их расчета.

Разработана динамическая модель ТбКУ с учетом сложного динамического нагруженш (совместные осевые, угловые и изгибные колебания уплотнительных колец). Выявлены закономерности влияния конструктивных параметров ТбКУ, податливости рабочей поверхности и сдавливания газа в щели уплотнения на динамические характеристики и устойчивость уплотнений.

Выявлен характер влияния многорежимности турбомашины на характеристики ТбКУ. Предложен метод прогнозирования ресурса многорежимного торцового уплотнения, учитывающий реальные картину изнашивания и изменение величины деформаций уплотнительных колец. Разработаны принципы и пути обеспечения многорежимности ТбКУ.

Исследовано динамическое поведение уплотнений в составе роторной системы. Получены условия раскрытия уплотнительного стыка торцового контактного уплотнения (ТКУ). Выявлены условия, при которых ТбКУ в состоянии оказать влияние на динамику ротора, и характер этого влияния. Предложен метод оценки ресурса ТбКУ при работе его в составе турбомашины по фактору засоряемости дросселирующих и фильтрующих элементов.

На основе выявленных закономерностей и обобщения результатов

исследований созданы методология проектирования и методы расчетов различных типов ТбКУ и их ■ элементов с учетом реальных условий эксплуатации и свойств уплотняемой среды. Сформулированы принципы проектирования высокоэффективных и надежных ТбКУ. Предложены перспективные технические решения, отвечающие современным требованиям к аэрокосмической технике по надежности и экономичности. Таким образом, решена важная научная проблема, имеющая большое народнохозяйственное значение для турбомашин ДЛА.

Практическая ценность. Результаты исследований протекающих в уплотнительной щели процессов, полученные аналитические зависимости для гидродинамических характеристик, а также выявленные закономерности влияния конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на характеристики ТбКУ позволили создать уточненные методики их расчета.

Выявленные особенности поведения ТбКУ в многорежимных турбо-машинах, при наличии деформаций, при динамическом нагружении позволили разработать рекомендации по проектированию уплотнений ДЛА.

Разработанные принципы проектирования высоконадежных торцовых уплотнений позволяют повысить их эффективность и надежность, а уточненные методики расчета характеристик уплотнений с рассмотрением их работы в составе турбомалшны - достоверность результатов проектирования, что приводит к снижению материальных и временных затрат на доводку уплотнений.

Созданная библиотека моделей и методик расчета различных типов ТбКУ и их элементов позволяет значительно повысить эффективность -процесса проектирования уплотнений.

Научно обоснованные и подкрепленные теоретическими и экспериментальными исследованиями методология проектирования и конструкции ТбКУ создают реальную базу для успешного создания нового поколения уплотнений ДЛА с повышенными эксплуатационными показателями при значительном сокращении времени их проектирования, изготовления и доводки, а также модернизации уплотнений находящихся в эксплуатации турбомашин различного назначения.

Реализация работы на практике. Методики проектирования Т6Ю ДЛА с учетом реальных условий эксплуатации и свойств рабочего тела внедрены на ряде предприятий Российской Федерации и на фирме 'Теобог Вигдгтапп" (ФРГ). Результаты проведенных исследований использованы при создании высокоэффективных уплотнений ГТД и ТНА, г также турбомашин для газовой и химической промышленностей. Основополагающие материалы диссертации используются в учебном процес-

се Самарского государственного аэрокосмического университета.

Апробация работы. Результаты диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 30 научно-технических конференциях (НТК) и совещаниях, в том числе: на II и III Всесоюзных НТК (ВНТК) "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов" (Москва, 1981, 1986 г. г.); на Межотраслевом совещании по контактным уплотнениям авиационных ГТД (Куйбышев, 1981 г.); на V ВНТК "Диссоциирующие газы как теплоносители и рабочие тела АЭС" (Минск, 1981 г.); на ВНТК "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" (Куйбышев, 1981 г.); на III-VI ВНТК "Контактная гидродинамика" (Куйбышев, 1981, 1986, 1991, 1996 г.г.); на VI и VII ВНТК по компрессоростроению (Псков, 1982 г. и Казань, 1986 г.); на III и IV Всесоюзных совещаниях по уплотнительной технике (Сумы, 1982, 1985, 1988 г.г.); на ВНТК "Трение и смазка в машинах" (Челябинск, 1983 г.); на IX ВНТК по конструкционной прочности авиадвигателей (Куйбышев, 1983 г.); на II Межотраслевой НТК "Масляные системы и контактные уплотнения ГТД" (Москва, 1985 г.); на ВНТК по проблемам надежности и ресурса в машиностроении (Куйбышев, 1986 г.); на ВНТК "Автоматизация исследования, проектирования и испытаний сложных технических систем" (Калуга, 1989 г.); на Международных конференциях по герметичности и вибрационной надежности центробежных машин".(Сумы, 1991, 1993 г.г.); на Российских симпозиумах по трибологии (Самара, 1993, 1994 г.г.); на НТК "Надежность механических систем" (Самара, 1995 г.); на X Международном коллоквиуме пс трибологии (Esslingen, Germany, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 статей, 27 тезисов докладов, 36 технических решений признаны изобретениями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения (рис. 1). Работа изложена на 368 страницах машинописного текста, содержит 155 рисунков и 6 таблиц; библиография включает 200 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, дается краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ конструктивных форм и особенностей работы уплотнений ДЛА, созданных на основе использования принципов жидкостной и газовой смазки, а также анализ выполненных

- а -

Современное состояние и задачи исследования торцовых бесконтактных уплотнений ДЛА (гл.1)

Анализ условий Механизмы обра- Анализ иссле- Постановка применения зования гаран- дований ста- задач

ТбКУ в ДЛА тированного за- тики и дина- исследо-

зора в ТбКУ мики ТбКУ вания

Гидродинамические характеристики тонкого слоя смазки торцового уплотнения с учетом технология, и эксплуагац. факторов (гл.2) Расчетная модель

Гидродинамические характеристики газового слоя с учетом волнистости и конусности зазора уплотнения и конвективных сил инерции Разрыв смазочного слоя ДвухФазность течения в зазоре Критическое истечение газа через уплотни-тельную щель

Шероховатость уплотн. поверхностей Динамические характеристики слоя смазки

Элементы ТбКУ (гл. 3)

Пара трения (газостат.камеры. спиральные канавки, камеры Рэлея. микроканавки) Дроссели и ФИЛЬТРЫ

Вторичные уплотнения Материалы

Деформации в торцовых уплотнениях (гл.4) Причины возникновения деформация уплотн. колец Влияние деформаций на характеристики ТбКУ Торцовое уплотнение с эластичной поверхностью Щеточное уплотнение Принципы и пути создания работоспособных в условиях деформаций ТбКУ

Динамические процессы в ТбКУ

(гл.5)

Динамическая модель ТбКУ Вынужден.осевые колебания ТбКУ (учет формы зазора и газодин.камер) Динамика высокоперепадных ТГСУ Совместные колебания в торцовых уплотнениях: осевые, угловые и изгибные

ТГСУ с эластичной поверхностью ДвухФазность течения среды

Многорежимность ТбКУ (гл.6) Влияние многорежим-ности турбомашины на работу различных типов ТбКУ

Прогнозирование ресурса торцовых уплотнений многорежимных турбомашин Принципы и пути

обеспечения многоре-жимности ГбКУ

Работа торцового уплотнения в составе турбомашины (гл.7)

Течение рабочей среды в полости перед уплотнением

Засоряемость фильтров и дросселей Влияние ротора на динамику РТУ с радиальной разгрузкой

Влияние динамических процессов в турео-машине на работоспособность торцового контактного уплотнения

Динамика ТбКУ в составе системы "ро-тор-опоры-уплотнение" Расчет уплотнительных систем

Перспективы применения результатов работы (гл.8) Методики проек- Библиотека Созданные Принципы проек-

тирования раз- моделей и конструк- тирования высо-

личных типов методик ции ТбКУ коэффективных

торцовых уплот. расчета ТбКУ ТбКУ

Рис. 1. Структура диссертационной работы

- У -

работ по исследованию процессов в ТбКУ.

При сравнении используемых в настоящее время в ДЛА различных типов уплотнений была получена область применимости ТбКУ. Сравнение производилось с учетом комплексной оценки и весовых коэффициентов факторов, распределенных по трем группам: эксплуатационные, конструктивно-технологические и технико-экономические. ТбКУ наиболее соответствует большинству требований к уплотнениям ДЛА. Однако ТбКУ конструктивно сложны и требуют специальных знаний при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

ТбКУ используются в качестве уплотнений опор роторов ГТД, концевых и внутренних уплотнений роторов ТНА. Проведенный анализ условий применения существующих уплотнений и анализ причин увеличения утечек в ТбКУ показывают, что основными особенностями их работы в составе современных ДЛА, которые необходимо учесть при проектировании, являются: экстремальность нагрузок (высокие значения перепада давления, температуры и скоростей скольжения; динамические нагрузки) и многорежимность (циклическое изменение этих нагрузок во время работы двигателя). Это приводит к возникновению деформаций упютнительных поверхностей, величины которых изменяются при переходе от одного режима работы двигателя к другому. Уплотнения также должны сохранять высокую работоспособность при сложном динамическом воздействии от вращающегося с высокой частотой гибкого ротора. Перечень проблем, которые необходимо решать при создании ТбКУ, показан ка рис. 2.

Успешное проектирование и эксплуатация ТбКУ в ДЛА могут быть обеспечены лишь при глубоком развитии теоретических и экспериментальных методов их исследования. Анализ результатов исследований статических и динамических характеристик ТбКУ, выполненных

A.И.Белоусовым, В.А.Зреловым, А.И.Голубевым, З.П.Кревсуном,

B.А.Максимовым, В.А.Марцинковским, Д.Е.Чегодаевым, H.Cheng, I.Et-sion, А.Lebeck, L.Ludwig, E.Mayer, H.Mueller, I.Zuk и другими, показал, что широкому использованию ТбКУ препятствует недостаточная изученность механизма их работы, отсутствие рекомендаций по выбору конструктивной схемы уплотнений и методик определения их параметров в условиях многорежимности работы ДЛА, действия значительных силовых, температурных и динамических нагрузок. Это является причиной того, что каждая фирма, занимающаяся разработкой ДЛА, создает свои конструкции ТбКУ, затрачивая большие средства на эмпирический поиск удовлетворительного конструктивного решения и его доводку.

рис. 2. Обобщенная схема уплотнительного узла турбомашны и проблемы, возникающие при его проектировании: 1 - фильтрация подводимой уплотняемой среды; 2 - подвод уплотняемой'среды; 3 - благоприятное распределение давления и скорости течения рабочей среды в полости перед уплотнением; 4 - отвод охлаждающей среды; 5 - теп-лоотвод от пары трения; 6 - динамическая связь "ротор-уплотнение"; 7 - утечки и тепловыделение; 8 - деформации уплоткительных колец; 9 - герметизация при осевых перемещениях кольца уплотнения ; 10 - дренаж утечек

0 о

Рис. 3. Расчетная схема торцового уплотнения

Рис. 4. .Динамическая модель ТбКУ

На основании проведенного анализа состояния проблемы в диссертации сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию гидродинамических характеристик тонкого слоя жидкостной и газовой смазки ТбКУ с учетом ее реальных свойств, а также технологических и эксплуатационных факторов. Правильно спроектированное уплотнение должно обладать гарантированной смазочной пленкой (для ТКУ - 0.5...1 мкм, для гидродинамических торцовых уплотнении - более 2 мкм, для гидростатических торцовых уплотнений - Солее 5 мкм), которая в основном определяет его надежность и экономичность. Неточно определенные характеристики смазочного слоя и, как следствие, определяющие динамику уплотнения параметры, могут привести существенным ошибкам при проектировании, значительным утечкам во время эксплуатации и преждевременному выходу уплотнения из строя.

Используемые методы расчета торцовых уплотнений основываются на совместном решении системы дифференциальных уравнений движения рабочего тела, неразрывности течения смазки и состояния. С учетом принятых допущений (течение рабочего тела в щели уплотнения изотермическое, ламинарное; массовые силы отсутствуют; газ идеальный; изменение величины зазора много меньше его номинальной величины и т.д.) получено дифференциальное уравнение для распределения давления по ширине уплотнительного пояска с учетом конвективных сил инерции, вращения уплотнительных поверхностей, изменения толщины пленки в радиальном г и тангенциальном ф направлениях, сдавливания рабочего тела в щели

Здесь:р,р - давление и плотность; ц - динамическая вязкость; И -величина зазора; I - время.

Задача определения характеристик ТбКУ (утечки т, несущая способность V/ и жесткость слоя с) сводится к интегрированию данного уравнения при условиях, зависящих от геометрической формы уплотнительных поверхностей и способа подачи смазки в зазор

ы сНрЬ) сКрЬ)

2К Г2

^ ■ ^ = I I С = -сМ/'Л.

Г=Г1 О Г1

Гарантированный зазор получается при условии равенства действующих ка подвижное кольцо уплотнения сил (рис. 3).

Получены гидродинамические характеристики смазочного слоя с учетом отклонений геометрической формы зазора от плоскопараллельной в виде конусности h = ho-tgB(r-ro) и волнистости h = ho+ecoskq>, шероховатости уплотнительных поверхностей и конвективных сил инерции в аналитическом виде. Выявлены определяющие параметры: параметр волнистости Е = e/ho, параметр вращения В = 2 2

Б = Зрвхи го/ЮрВх и параметр конусности В = tgQ ro/ho, - и границу их использования. Для учета шероховатости использован метод, предложенный Патиром и Ченгом. Математическое ожидание h3 в формуле для расхода жидкости или газа заменяется на произведение Фх-Ь3о» где ФХ ~ коэффициент расхода, ho - номинальная величина зазора. Формула для массовых утечек газа с учетом волнистости и вращения уплотнительных поверхностей в безразмерном виде

_2 _2 _2 -БГ2 _2 "БГ1 . 1Z|1RT Р2 е - Pie 3 2

М = щ - = - (1+-Е ),

3 2 _ _ 2

TCho Рвх h(ri,r2)

_ _ m ("Б) (гj - Ti ) _ р _ г

где 1а(гьг^) = ln(rj/ri)+ £-; р = —; г = —.

п=1 п! 2п Рвх го

Выражение для утечек для конусного зазора имеет вид:

Р2-Р1 _ _ 1 (l+B(l-ri))fj М = - , 1г(гьгз) = - 1п-+

12(Г1.г2) Cl+B? (l+B(l-rj))?i

B(rj-ri)(2 + B(2-?i-fj)) B(rj-rt)

2(1+В)(1+В(1-г^)2(1+В(1-Г1))2 (1+В)2(1+В(1-п))(1+В(1-Г1)) Для газа учтена возможность истечения со скоростью звука. Получено, что для зазоров менее 15 мкм изотермическая теория дает приемлемые результаты. Для жидкости учтена возможность разрыва смазочного слоя и двухфазного течения в зазоре, характеризующемся конусностью и волнистостью. Определены границы зоны кавитации и выражение для гидродинамической несущей способности слоя смазки. Выражение для объемных утечек через уплотнение имеет вид

-

а

6р.(г;.-г1)

ЯГщ

3 2 2 2

(р2- Р1 ---ри (Г2-Г1))

2

1Г;

Динамическую реакцию слоя сдин(з) упрощенно можно представить в виде суммы жесткости и демпфирования, которые для несжимаемых сред определяются вязкостью среды и геометрическими параметрами уплотнения, а для сжимаемых сред зависят еще и от частоты колебаний уплотнительных колец. Жесткость и демпфирование найдены в линейной постановке при решении уравнения для распределения давления для осевых и угловых перемещений уплотнительных поверхностей. В ряде случаев, особенно для ТбКУ с камерами и дросселями, эффективно рассматривать динамические характеристики уплотнения как системы с релаксационным механизмом демпфирования. Для линейной модели ТбКУ динамическая реакция газового слоя может быть представлена в виде передаточной функции

где с - статическая жесткость ТбКУ; Т1 и Т2 - параметры, определяемые чувствительностью расходных характеристик дросселирующих элементов к изменению величины зазора и давления в камере.

Полученные результаты, достоверность которых подтверждена проведенными в рамках данной работы экспериментальными исследованиями, позволяют проводить исследование более сложных конструктивных схем торцовых уплотнений.

Рассмотрение работоспособности ТбКУ неразрывно связано с его элементами, исследованию которых посвящена третья глава. В ней продолжено наполнение базы знаний. Наиболее ответственным элементом торцового уплотнения является пара трения. Ее работоспособность зависит от свойств рабочей среды, правильности выбора материалов пары трения, конструкции уплотнительных колец, а также достоверности расчетной модели. Надежность и эффективность функционирования уплотнений определяется не в меньшей степени дросселирующими и фильтрующими элементами, вторичными уплотнениями, которые в ряде случаев не позволяют обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики уплотнений. Анализ публикаций указывает на

СдинЫ = сШБ+П/СТгз-К),

недостаточную изученность характеристик элементов ТбКУ.

Рассмотрены различные виды профилированной пары трения (с газостатическими камерами, со спиральными канавками, с камерами Рэлея, с микроканавками, различные их комбинации) и получены зависимости для статических характеристик уплотнений с учетом конусности зазора. Получены закономерности влияния на них определяющих параметров, подтвержденные экспериментально. В частности определено, что ТбКУ с диффузорным зазором может иметь положительную жесткость рабочего слоя, в отличие от обычного торцового уплотнения. Для расчета ТбКУ с газостатической камерой необходимо знать величину давления в камере, которое, например, для уплотнения с учетом волнистости и вращения поверхностей имеет вид

_2 _2 /2 "ВГ2. _2 "БГ1 ^ 3 2 Р2 е PI е 5 + (1+-Е И- +

Рк =

2

Ч1(Г4»Г2) 11(Г1,Гз)

Г л . Г-ч1)!

1/2

_9

-БГ4

_2 -Бгз

3 2

^ + (1+-Е )<--

2 - - - - , Ч1(Г4,Г2) 11(Г4,Г2)>

Для торцового газодинамического уплотнения со спиральными канавками и конусным зазором было получено распределение давления по радиусу в зоне, в которой располагаются спиральные канавки:

1/2

2 1б(Гв,Г) 2Д _ __ 15(Гв,Г2) .

1

Рн=

_2 1б(Гв»Г) (1-Рв)-

_ _ 15(Гв.Г2) _ _ (15(гв»г)--1б(гв,г))

1б(Гв,Г2)

н

1б(Гв.Г2)

_2__ __ __ _ _ 2 _2 Р11б(Гв.Г2)+12(Г1,Гв)+2Д12(Г1,Гв)15(Гв,Г2)/Н где - Рв=-

1е(Гв.Г2)'И2(Г1,Гв)

Гн

l5(ri,rj)- J

Bordr

; 1б(гьГз)= J

dr

П Ао(1-В(г-1)Т п гА0(1-В(г-1)?

Ао и Во - безразмерные выражения для зазора в третьей степени и градиента изменения зазора в окружном направлении для торцовой поверхности со спиральными канавками. Сравнение результатов расчета характеристик ТбКУ со спиральными канавками с помощью соз-

данной аналитической методики с численными результатами, полученными фирмой "SULZER" с использованием МКЭ, показало хорошую их согласуемость. Характеристики радиально-торцовых контактных уплотнений (РТКУ) с камерами Рэлея для ГТД семейства НК определялись численно путем решения уравнения Рейнольдса методом конечных разностей. При расчете характеристик малорасходных уплотнений с микроканавками, которые хорошо себя зарекомендовали в процессе экспериментов и в эксплуатации на Тольяттинском предприятии "Син-тезкаучук" в составе перекачивающего изобутилен насоса НК200/370, использовалась программа "RADIS" на основе МКЭ. Исследование уплотнения со структурами обратного нагнетания проводились на рабочей станции SUM с использованием программы "FIDAP".

Рассмотрены дросселирующие и фильтрующие элементы, получены их гидродинамические и надежностные характеристики. Выражения для

параметра й, используемого при расчете ТбКУ с газостатической камерой, для дросселей в виде питающих отверстий, из материала MP и тросовых имеют вид:

где адр - диаметр дросселя; Идр - количество дросселей; Рдр -площадь поперечного сечения дросселя; аиэв=1п/1др - коэффициент извилистости пор; 1П - длина поры; 1ДР - длина дросселя.

Проанализированы характеристики вторичных уплотнений и материалов для пар трения. Созданная база знаний позволяет проводить исследование различных конструкций ТбКУ.

Герметичность уплотнения в течение длительного времени зависит от сохранения формы зазора. Возникающие деформации уплотнитель ных колец вызывают перераспределение гидравлического давления в зазоре и зачастую являются причиной потери контакта между уплотнитель ными поверхностями, либо их чрезмерного изнашивания. Этой проблеме посвящена четвертая глава. Причинами возникновения деформаций являются следующие конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы: высокие перепады давлений и температур; низкие и высокие температуры; трение в контакте; неравномерности прогрева колец и поля давлений; деформации смежных узлов и деталей; погрешности изготовления и сборки; динамические нагрузки и т.д. Исследовано влияние деформаций, приводящих к образованию конусного, волнистого или непрямолинейного зазора, на характеристи-

ки уплотнений. Рассматриваемые в данной главе виды зазороЕ ТбКУ:

И = 1~1о(г/го)а, Ь = Ко+Ь|г-го|а, Ь = Ьо-1дв(г-го)+есо5кф,

( \ а Ьо Ь0г \ а

Ь = (Ио+есоэкф) [г/гс^ , в = — +есо5к<р+—[г/п^ .

При определенных значениях коэффициентов а и Ь можно получить плоскопараллельный, сужающийся или расширяющийся зазор, с выпуклостью или вогнутостью поверхностей. Результаты исследований были подтверждены экспериментами и результатами других авторов. В частности, аналитические результаты влияния деформаций на характеристики гибридного ТбКУ согласуются с численными результатами Уилкока. Исследование влияния деформаций на характеристики уплотнений показало, что диапазон возможных искажений зазора невелик (<1мрад). Предложены перспективные конструкции уплотнений, работоспособные при значительных деформациях уплотнительных поверхностей, созданы методики их расчета. Торцовое газостатическое уплотнение с эластичной поверхностью (ЭТГСУ) на основе материала МР, покрытого фторопластом, способно отслеживать деформации поверхности сопряженной детали. При нахождении его характеристик использовалось совместное решение контактной и гидродинамической задач. Принято, что величина прогиба материала пропорциональна действующей на него нагрузке. Величина зазора в безразмерном виде

Н = Ь/Ьо = 1 +рр .

где Р=ВРвх/11о - параметр эластичного уплотнения; р - удельная податливость эластичной поверхности.

С целью упрощения исходного дифференциального уравнения для распределения давления вводим линеаризацию:

___2

Н = 1+Р3+Р1Р .

Утечки через уплотнение определяются выражением

_з М = н

{ \ 1+ЙЗ _2 4 \ 1+Ь 2 4"

- +Рк +Р1

-

Г1

Наличие податливой поверхности приводит к смещению максимума жесткости в сторону меньших зазоров. Поэтому ЭТГСУ можно проектировать с меньшим зазором, чем обычное торцовое газостатическое уплотнение (ТГСУ), что обеспечивает выигрыш по утечкам. Полученные результаты подтверждены экспериментально.

Предложена расчетная модель щеточного уплотнения. Найдены

аналитические зависимости для утечек и для распределения температуры в структуре щетки, подтвержденные экспериментально.

Проведенные расчетные (с помощью программы "АМ5У5") и экспериментальные исследования деформаций уплотнительных.колец, а также анализ публикаций позволил сформулировать принципы проектирования ТбКУ, работоспособных при наличии деформаций уплотнительных колец: - снижение величины деформаций уплотнительных колец; -устранение влияния деформаций смежных узлов и деталей; - использование пленки смазки с оптимальной жесткостью; - обеспечение плоскопараллельного зазора при деформациях; - использование пар трения, малочувствительных к деформациям уплотнительных колец; -регулирование величины зазора в уплотнении в зависимости от величины деформаций. Кратко рассмотрим пути реализации принципов.

1. Подбор расчетным и экспериментальным путем геометрических параметров, обеспечивающих приемлемый уровень деформаций.

2. Уменьшение подводимого к кольцам теплового потока.

3. Разгрузка уплотнения за счет снижения перепадов давлений или температур, что достигается введением перепуска и т.п.

4. Свободная упругая установка колец на валу и в корпусе.

5. Оптимальный теплоотвод от зоны контакта.

6. Обеспечение равномерного температурного поля и уравновешивание действующих сил и моментов.

7. Конструирование колец с высокой изгибной жесткостью.

8. Использование материалов с параметрами ЕД,сс, обеспечивающими приемлемый уровень деформаций.

9. Использование взаимной компенсации тепловых и силовых деформаций.

10. Демпфирование изгибных колебаний за счет установки злас-томерных колец между свободно устанавливаемым кольцом и корпусом.

Следующие пути ставят целью уменьшить влияние деформаций на работоспособность и характеристики торцовых уплотнений.

11. Использование гидростатического или гидродинамического принципа. Это обеспечит положительную жесткость слоя уплотнения даже при диффузорном зазоре.

12. Регулирование величины зазора в зависимости от величины деформаций.

13. Использование эластичных уплотнительных поверхностей.

14. Выполнение гидродинамических микрокачер в местах возможного соприкосновения поверхностей колец при их деформации.

15. Сохранение плоскопараллельного зазора в паре трения при

деформациях колец.

16. Использование узкого уплотнительного пояска (2...3 мм), при котором средняя величина зазора составит 3...4 мкм.

Предложенные новые виды уплотнений и разработанные пути снижения величин деформаций и их влияния на характеристики ТбКУ позволяют создавать высоконадежные уплотнительные узлы.

Значительная часть повреждений ТбКУ происходит вследствие возникновения в них опасной вибрации. Этому посвящена пятая глава. На практике зазор уплотнения всегда нестационарен. Основными причинами колебаний подвижного кольца уплотнения являются следующие: вибрация ротора, биение торца ротора, колебания давления в уплотняемой полости, дефекты изготовления и монтажа, начальные возмущения при пуске и т.п. Для исследования динамических процессов была создана аналитическая методика. Динамическая модель уплотнения рассматривается как совокупность твердого тела (невраща-ющееся кольцо уплотнения), .безынерционной упруговязкой подвески (рабочий слой), упругого элемента (рис. 4). Также в ряде случаев следует учитывать вторичное уплотнение, которое представляется элементом, обладающим жесткостью, демпфированием и сухим трением.

При исследовании динамических процессов в ТбКУ рассмотрены совместно осевые, угловые и изгибные колебания уплотнительных колец. Они описываются системой уравнений движения упругоустанов-ленного кольца относительно вращающегося:

mzi ! Рг t W2 = 0; I¿2 + м« + Lo- = 0; Ip02 + Mq + Lq = 0, где m,I,Ip - масса и моменты инерции подвижного кольца; 22,«2,02 - осевое, угловое, кзгибное перемещение кольца уплотнения; Pz.Mai.MQ - осевая сила и гидромеханические моменты, действующие на подвижное кольцо со стороны рабочего слоя; Wz.L^.L.q - сила и моменты, действующие на подвижное кольцо извне.

Воздействие ротора на систему рассматриваем в виде трех составляющих: - осевое .zi=zosin<i>t; - угловое <xi=aosinwt; - изгибное 8i=8osinut. В диссертации рассмотрены встречающиеся на практике частные случаи (.zi+zz\ ,0l">22.02'. zi->Z2,02; ai^s; zi,aa-»Z2.«2; ai-»Z2,«2) и произведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными (см., например, рис. 5). В частности, при совместных осевых и изгибных колебаниях оценено влияние одного вида колебаний на другой. С учетом сил инерции уплотнительного кольца, динамической реакции газовой пленки, упругого элемента и сопротивления сечения кольца изгибу уравнения движения уплотнительного невращающегося кольца будут иметь вид

О к о -12 Но 201(-<0""с Рис. 5. Изменение величины зазора ТбКУ во времени: 1 - теоретические результаты расчета осевых колебаний без учета демпфирования в зазоре, 2о=0,3мм; 2 - результаты расчета с помощью программы А№БУ5 осевых колебаний без учета демпфирования в зазоре, го=0,Змм; 3 - теоретические результаты расчета осевых колебаний с учетом демпфирования в зазоре, го=0,Змм; 4 - теоретические результаты расчета совместны;: ' колебаний,

2о=0.01мм и йо=0,006рад (биение 0,3мм); 5 - экспериментальные результаты

Рис. 6. Изменение величины зазора ТбКУ для многорежимной турбомашины: 1 - ТГСУ: 2 -ЗТГСУ; 3 - РТКУ с камерами Рэ-лея; 4 - ТбКУ со спиральными канавками; 5 - гибридное ТбКУ

Рис. 7. Направления обеспечения демпфирования ТбКУ

Сочетание с оругими способами ггрмв-иьации

С контактным уплотнением

С дгскантакт, уплотнением

Рис'. 8. Принцип композиции способов герметизации

Ш22 + кьь(22-21) + коь(82-81) + спгг = О.

1Р02 + каа(б2-01) + кьа(22-21) + сп2гЬ + ЕцЛбг = о. При оценке способности уплотнительного кольца сохранять прилегание при деформации поверхности ротора приближенно характеризуем изменение параметров рабочей пленки четырьмя коэффициентами динамической реакции-

кьь-сн.п:-:.ч; коь=Содин; кьа=сьдинГс-Мс1ГсЛШ; кос^содинГс+^Мгс/с^. Первая буква индекса относится к виду возмущающего воздействия торца ротора, а вторая - к виду перемещения кольца ТГСУ; гс - координата центра давления, действующего в уплотнительной щели. В диссертации получены АЧХ, выявлены определяющие параметры и их значения, при которых кольцо отслеживает колебания торца ротора.

При нахождении динамических характеристик ЭТГСУ исходное дифференциальное уравнение решалось методом малых возмущений путем сведения его к уравнению Весселя. Было выявлено, что податливость поверхности увеличивает зону неустойчивости уплотнения. Проведение исследований динамики уплотнений с учетом реальной формы зазора, профилирования и упругости уплотнительных поверхностей, особенностей течения рабочего тела через уплотнительную щель позволяет более обоснованно выбирать параметры уплотнений.

Шестая глава посвящена многорежимности ТбКУ. Одним из основных требований к уплотнениям ДЛА является обеспечение их работы с гарантированным зазором и допустимыми утечками на всех режимах работы двигателя. Проведено исследование влияния многорежимности турбомашины на работу различных типов торцовых бесконтактных уплотнений (рис. 6). При смене режима работы изменяются перепады давления и температур на уплотнении, частота вращения ротора и, следовательно, величины деформаций колец уплотнения, то есть форма зазора. Если ТГСУ и РТКУ имеют узкие диапазоны бесконтактной работы, то газодинамическое уплотнение может работать без контакта с допустимыми утечками в широком диапазоне изменения эксплуатационных параметров. ЭТГСУ работает без контакта даже при незначительном перепаде давления.

При расчете ресурса ТбКУ многорежимных турбомашин необходимо учитывать изнашиваемость уплотнительных поверхностей, так как они контактируют при пуске-останове и на некоторых режимах работы двигателя. Разработан метод прогнозирования ресурса многорежимного торцового уплотнения с учетом изменения величин деформации колец и занашиваемой зоны контакта. Например, переход к параллель-

ному изнашиванию происходит через определенное время после начала работы на данном режиме, определяемое выражением:

■Ф° [аг^|-агсЬг(фо/у- |] • ц/1оД1

Здесь: Д1=1о-1п; 1о - интенсивность изнашивания в начале работы на режиме (при величине угла деформации фо и начальной площади контакта); 1п - интенсивность изнашивания в момент перехода к параллельному изнашиванию (при величине угла деформации фп)- Предлагаемый метод может быть применен для определения ресурса ТКУ.

Анализ механизма функционирования ТбКУ позволил сформулировать принципы обеспечения их многорежимности. На рис. 7-10 указаны разработанные автором пути обеспечения многорежимности и показаны конструктивные схемы многорежимных ТбКУ, защищенных 26 авторскими свидетельствами на изобретение.

Т.о.. многорежимность ДЛА является важным фактором, влияющим на работоспособность торцовых уплотнений. Однако, при проектировании ТбКУ наряду с их динамическими свойствами, с их способностью работать при наличии деформаций и многорежимности необходимо учитывать и другие аспекты, связанные с работой торцового уплотнения в составе турбомашины.

В седьмой главе рассмотрена работа торцового уплотнения в составе системы (рис. 2). При проектировании уплотнения выбирать его параметры следует с учетом характеристик турбомашины. Правильное конструирование полости перед уплотнением поможет избежать многих проблем, связанных с охлаждением пары трения, наличием стабильного смазочного слоя и т.п. Расчетные исследования с помощью программы "РЬОТЯАМ", входящей в состав пакета "АЫЗУЗ", проводились параллельно с экспериментом. Было получено, что на работоспособность торцового уплотнения оказывает большое влияние распределение давления, температуры и скорости течения. Данные факторы определяют действительную величину перепада давления на уплотнительяой щели, распределение температуры в кольцах, наличие кавитационных каверн на наружных поверхностях уплотнительных колец, а также связанные с вихреобразованием потери мощности.

Надежность и экономичность торцовых уплотнений во многом определяются стабильностью гидродинамических характеристик фильтрующих и дросселирующих элементов, используемых в системе обеспечения их функционирования. Разработана методика расчета с использованием аналитических зависимостей для определения ресурса уплот-

Регулиробанц» wecyu.eC спэсобности

Т"

Регулирований Забления

изменение ооэкы цели гоб йейстбиеп пезепаоо. оаЬпеми«

испалы.гиЗрост. и гиЗрзгин.*с.мер

Рис. 9. Пути регулирования несущей способности в ТбКУ

Регулиробание принимающей силы

тменение раЭи- УСО. оторич.ипм! озменениг ¡/СиЛи?! Лрукин исполывЬс-ние центробежного гооекта.

\ \ \|Л

кягльа. ияоигого ЗОПОЛНУП чекгнтс. ислольз КОГО КС ой. сс:тс4 ЛЬЦ!Х

1Ё 1 7 «с 1Р Ч

Рис 10. Конструктивные пути регулирования прижимающей силы .Б ТбКУ

гэо

Рис. 11. Область устойчивости ТКУ'

О -¡о 20 П.мкм

Рис. 12. Влияние величины : зора в ТбКУ на амплитуду ро1

нения по фактору засоряемости пористых элементов, которая может быть использована для диагностики фильтрующих устройств, а также в качестве составной части для определения надежности уплотнения и турбомашины в целом.

Особое внимание должно быть уделено динамическим аспектам ввиду их исключительной важности. ТбКУ при значительной вибрации ротора могут оказаться неработоспособными. Ротор оказывает существенное влияние на работу уплотнения, что показано на примере радиально-торцового уплотнения двигателя GNT-1.

Динамическая система ТКУ в отличие от бесконтактных торцовых уплотнений содержит ограничитель перемещений - торцовую поверхность ответного кольца. С использованием метода припасовывания было получено условие динамического раскрытия торцового контактного уплотнения. Оно может раскрыться при определенном соотношении контактной силы F, жесткости упругого элемента сп, массы кольца ш, силы трения во вторичном уплотнении Ro, амплитуды колебаний 2о и частоты вращения ротора

/ сп/ш + (F+Ro)/mzo • Анализ результатов вычислительных экспериментов с помощью созданной методики показал следующее. Чтобы избежать эффекта "зависания", необходимо уменьшить силу трения во вторичном уплотнении. Уплотнение может раскрыться при одновременном выполнении двух условий: кольцо уплотнения получит достаточное ускорение, ых-Ыгь собственная частота уплотнения «о находится недалеко от частоты колебаний ротора и. В результате расчетов была получена граница между устойчивой и неустойчивой (когда возможно раскрытие) областями (рис. 11). Оказалось, что уменьнение амплитуды колебаний ротора, увеличение контактной силы и уменьшение массы кольца расширяют область устойчивости. Но уменьшение массы повышает также собственную частоту. И резонансные колебания могут проявиться на больших частотах, ' что не решает проблему для многорежимных турбо-машин. Поэтому необходимо поднять собственную частоту, например, за счет увеличения жесткости рабочего слоя с помощью конструктивных изменений. В этом случае величина амплитудночастотной характеристики будет иметь небольшую величину, и уплотнение не раскроется. Обсчет реального случая проявления динамического раскрытия ТКУ и проведенных мероприятий полностью подтвердил достоверность предлагаемой теории. Достоинством ее является то, что появилась возможность прогнозирования таких явлений и поиска наиболее эффективных путей их устранения еще на этапе проектирования. Также

возможно использование данной методики для расчета РТКУ.

До сих пор считалось, что динамическое поведение кольца уплотнения определяется движением ротора. Марцинковский В.А. в своих работах показал, что радиальные уплотнения в легких высокооборотных машинах способны оказывать влияние на динамику ротора. В процессе проведенных исследований было выявлено, что и торцовое уплотнение способно оказывать подобное влияние. При рассмотрении сложной гидромеханической системы, состоящей из гибкого ротора на упругодемпферных опорах и упруго подвешенного кольца, связанных между собой гидродинамическими силами в торцовом зазоре, было получено следующее. При малых амплитудах осевых перемещений втулки торцового уплотнения и высокой силе трения во вторичном уплотне нии проскальзывания не происходит. И уплотнение работает как уп-ругодемпферная опора, значительно снижается амплитуда поперечных колебаний ротора в месте расположения уплотнения (рис. 12) и на 10. ..15% возрастает первая резонансная частота ротора. Поэтому параметры уплотнения и опор должны выбираться с учетом динамики системы "ротор-опоры-уплотнение''.

Так как обычно ТбКУ применяются в составе уплотнительных комплексов, то при нахождении характеристик уплотнений необходимо знать величину давления в промежуточных полостях. Были рассмотрены схемы основных используемых уплотнительных комплексов на основе ТбКУ и предложена методика их расчета.

В восьмой главе рассмотрены перспективы использования результатов проведенных исследований. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил создать методическое и программное обеспечение процесса проектирования торцовых уплотнений. Разработан обобщенный алгоритм проектирования ТбКУ, учитывающий особенности их применения в современных турбомадшнах, и рассмотрены конкретные примеры его использования для различных типов уплотнений. Совершенствование процесса проектирования ТбКУ выразилось в следующем:

- комплексный подход при расчете ТбКУ;

- нахождение аналитических зависимостей для определения утечек к гидравлической силы в щели;

- учет истинной формы зазора в уплотнении;

- учет происходящих в уплотнительной щели реальных процессов (сдавливание и разрыв слоя, истечение газа со скоростью звука);

- рассмотрение динамики ТбКУ с учетом реального нагружения (совместное рассмотрение различных видов колебаний колец);

- выбор параметров уплотнений исходя из их работоспособности на всех режимах работы турбомашины;

- рассмотрение работы уплотнения в составе турбомашины.

Для эффективного использования результатов исследований создана библиотека моделей по расчету различных типов ТбКУ и пакеты расчетных программ. Разработаны рекомендации по выбору конструктивной схемы и параметров ТбКУ. Необходимо заметить, что эффективность их использования зависит от соблюдения некоторых принципов, которые являются общими для всех типов торцовых уплотнений.

1. Обеспечение работоспособности торцового уплотнения.

Для этого рекомендуется выполнить следующее:

- взаимокомпенсация осевых сил и изгибающих моментов, действующих на уплотнительные кольца;

- расположение уплотняемой среды снаружи (взаимокомпенсация силовых и температурных деформаций; более низкие утечки за счет действия центробежных сил; получение конфузорной уплотнительной щели из-за технологических особенностей притирки уплотнительных поверхностей);

- обеспечение эффективного теплоотвода от пары трения;

- конструирование уплотнения в виде пакета, содержащего уп-лотнительное кольцо, вторичное уплотнение и пружины в едином корпусе, с целью устранения перекосов во время монтажа;

- обеспечение возможности самоустановки колец при перекосах;

- снижение влияния вторичного уплотнения;

- обеспечение легкой подвижности скользящего кольца пары трения в осевом направлении;

- фиксирование обеих колец пары трения от проворота;

- усилие пружины должно быть достаточным для того, чтобы при отсутствии перепада давления уплотнительное кольцо отслеживало осевые движения вращающегося кольца;

- для приработки одна из скользящих поверхностей должна быть изнашиваемая (при возможных касаниях);

- радиальная ширина уплотнительных поверхностей должна быть минимально возможной (но не менее 2. .3 мм);

- необходимо избегать растягивающих напряжений и ударов в графитовых и керамических кольцах;

- материалы должны обладать хорошей теплопроводностью;

- свойства материалов должны быть по возможности постоянными при высоких и низких температурах;

- материалы должны выдерживать температурные изменения.

2. Обеспечение высоких показателей надежности уплотнения.

Высокие показатели надежности могут быть получены за счет следующих мероприятий:

- поступление рабочей среды в зону контакта;

- использование конструкторского опыта, существующих решений;

- повышение коррозионной и эрозионной стойкости деталей;

- моделирование условий работы в процессе стендовой доводки;

- использование метода эксплуатации по состоянию;

- исключение фазового перехода в щели уплотнения.

Далее рассмотрим принципы проектирования, относящиеся только к ТбКУ. Они обусловлены наиболее важными вопросами, которым необходимо уделить внимание: гарантированный зазор и низкие утечки.

3. Формирование схемы ТбКУ на основе специфики эксплуатации.

4. Обеспечение гарантированного зазора в уплотнении.

Для создания гарантированного зазора полезны следующие пути:

- использование гидродинамической смазки (для жидкостных уплотнений - использование гидродинамического эффекта; для газовых уплотнений - использование газостатического и газодинамического эффектов);

- максимальное использование утечек для создания гарантированного слоя смазки;

- обеспечение многорежимности уплотнения (глава 6).

5. Снижение величины деформаций уплотнительных колец и их влияния на работоспособность ТбКУ (глава 4).

6. Обеспечение высоких динамических свойств ТбКУ.

7. Создание резервов для доводки (регулирование характеристик ТбКУ за счет изменения какого-нибудь размера или замены какого-либо элемента).

8. Создание систем обеспечения функционирования ТбКУ с диапазоном изменения параметров, перекрывающем весь спектр возможного изменения характеристик ТбКУ во время эксплуатации.

С использованием данных принципов разработаны конструкции высокоэффективных ТбКУ ДЛА для ряда фирм: АО СНТК имени Н.Д.Кузнецова (г.Самара), КБХА (г.Воронеж), КБЭМ (г.Химки), MTU (Германия) , - и ТбКУ модернизированных в процессе конверсии насоса НК200/370 и нагнетателя природного газа 370-18-1. Часть .из них прошла опытную проверку и используется на различных предприятиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая задача -созданы методология проектирования и методы расчета различных ти- . пов торцовых бесконтактных уплотнений и их элементов с учетом реальных условий эксплуатации. Полученные результаты исследований расширяют представления о протекающих в торцовых уплотнениях процессах. Выявленные особенности работы торцовых уплотнений в тур-бомашинах и разработанные рекомендации по их проектированию создают предпосылки для успешного применения ТбКУ в качестве уплотнений опор роторов ГТД, концевых и устанавливаемых по буртам крыльчаток центробежных насосов ТНА. Подводя итоги проделанной работы, можно сделать следующие выводы.

1. К герметичности и надежности уплотнений роторов турбомашин предъявляются высокие требования. ТбКУ являются перспективным типом уплотнений для турбомашин и позволяют решить многие проблемы при условии, что выбор их геометрии и подбор материалов обеспечат гарантированную пленку смазки толщиной несколько микрометров. Для жидкостных уплотнений наиболее целесообразным является использование гидродинамических эффектов, обеспечивающих величину рабочего зазора на уровне 1 мкм, а для газовых - газостатических и газодинамических эффектов при величине зазора в несколько мкм.

2. Наиболее важным элементом ТбКУ является смазочный слой. В результате проведенных исследований получены гидродинамические характеристики смазочного слоя с учетом отклонений геометрической формы зазора от плоскопараллельной, шероховатости уплотнительных поверхностей, конвективных сил инерции и реальных процессов, происходящих в щели. Рассмотрены различные виды профилированной пары трения и созданы методики их расчета. Это позволило создать базу знаний, включающую в себя различные виды ТбКУ, их элементы и характеристики. Использование данной базы знаний позволяет проводить комплексное исследование ТбКУ, повысить достоверность получаемых расчетных результатов. Выявленные тенденции влияния определяющих параметров на характеристики ТбКУ позволяют эффективно проводить доводку опытных конструкций уплотнений.

3. Проанализированы причины возникновения деформаций и исследовано их влияние на характеристики уплотнений, что позволило сформулировать принципы и разработать пути снижения величин де-

формаций и их влияния на характеристики ТбКУ. Предложены торцовое уплотнение с эластичной поверхностью и торцовое щеточное уплотнение и созданы методы их расчета.

4. На практике зазор всегда нестационарный. Поэтому при проектировании ТбКУ наряду со статическими необходимо рассматривать и их динамические характеристики. Разработана динамическая модель ТбКУ с учетом совместных осевых, угловых и изгибных колебаний уп-лотнительных колец. Проведение исследований динамики уплотнений с учетом реальной формы зазора, профилирования и упругости уплотни-тельных поверхностей, характеристик вторичных уплотнений позволяет более обоснованно выбирать параметры торцовых уплотнений.

5. Исследование влияния многорежимности турбомашин на работу различных видов ТбКУ позволило выявить области их наиболее благоприятного применения. Предложен метод прогнозирования ресурса многорежимного торцового уплотнения. При расчете ресурса торцовых уплотнений необходимо учитывать засоряемость фильтров и дросселей, а также реальную картину изнашиваемости уплотнительных поверхностей. Использование сформулированных в порядке обобщения полученных результатов принципов и разработанных конструктивных путей обеспечения многорежимности уплотнений, признанных изобретениями, позволяет спроектировать ТбКУ с гарантированным зазором в широком диапазоне перепадов давлений и частот вращения ротора.

6. Параметры уплотнений следует выбирать с учетом особенностей и характеристик турбомашины, для которой они предназначены. В результате исследований получено, что за счет уплотнения можно значительно снизить амплитуды поперечных колебаний и увеличить первую резонансную частоту ротора. При рассмотрении торцового уплотнения в составе системы было выявлено условие динамического раскрытия торцового контактного уплотнения.

V. Проведенные экспериментальные исследования, а также сравнение с результатами других авторов подтвердило достоверность разработанных методик расчета ТбКУ, а также позволило выявить новые аспекты механизма функционирования ТбКУ,

8. Сформулированные принципы проектирования высокоэффективных ТбКУ и созданная база знаний позволили разработать методологию проектирования таких уплотнений, учитывающих особенности их работы в современных турбомашинах: деформации, многорежимность, динамику. Созданная библиотека моделей и методик различных видов ТбКУ, рекомендации по их использованию служат основой для разработки САПР ТбКУ. Опыт проектирования и использования ТбКУ подт-

вердил эффективность ч достоверность методик проектирования.

9. Результаты йсследований нашли практическое применение на различных предприятиях и в учебном процессе Самарского государственного аэрокосмического университета. Методики проектирования различных типов ТбКУ использовались при создании перспективных разработок на предприятиях: АО СНТК имени Н.Д.Кузнецова, КБХА, КБЭМ, ИЯЭ Белорусской АН. В одном из изделий КБХА используется конструкция концевого уплотнительного узла, признанного изобретением. В Тольяттинском производственном объединении "СИНТЕЗКАУЧУК" в составе насосов НК-200/370 используются торцовые уплотнения с микроканавками. Для использования на нагнетателях природного газа .370-18-1 на станциях предприятия "САМАРАТРАНСГАЗ" создано и прошло опытную проверку "сухое" торцовое газодинамическое уплотнение. В конструкторской практике фирмы "FEODOR BURGMANN Dichtung-swerke GmbH" (ФРГ) используются расчетные программы на ЭВМ, созданные на базе разработанных в диссертации методик в следующих областях: гидродинамические процессы в щели торцового уплотнения; динамический анализ торцового уплотнения; расчет дросселей и радналь-но-торцовых уплотнений.

Основные научные результаты диссертации защищены 36 авторскими свидетельствами СССР и изложены в следующих хронологически представленных работах:

1. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Теоретическое и экспериментальное исследование торцовых гидростатических уплотнений из пористого упругодемпфирующего материала MP // Диссоциирую-•шие газы как теплоносители и рабочие тела АЭС: Сб. науч. тр. -Минск: ИЯЭ АН БССР. -1982. -4.1. -С.149-157.

2. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Исследование характеристик торцового газостатического уплотнения с учетом вращения и волнистости уплотнительных поверхностей // Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов: Сб. науч. тр. -Куйбышев, 1982. -Вып.9. -С.18-23.

3. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Влияние конусности уплотнительных поверхностей на характеристики торцового газостатического уплотнения // Исследование гидростатических опор и уплотнений двигателей летательных аппаратов: Сб. научн. тр. -Харьков,1982. -Вып.1. -С.131-136.

4. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B., Харламов Р.В. Результаты экспериментальных исследований ТГСУ // Тез. докл. III

Зсесоюзн. научко-техн. совещ. по уплотн. технике. -Сумы, 1982. -С. 64-65.

5. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Исследование динамических характеристик и устойчивости высокоперепадных торцовых газостатических уплотнений /Куйб. авиац. ин-т. -Куйбышев, 1983. -51с. -Деп. В ВИНИТИ 24.06.83, № 3432.

6. Алгоритм проектирования торцового гидростатического уплотнения центробежного насоса / Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B., Иванов А.И., Шадрина К.К. // Авиац. пром. -М., 1984. 4. -С.37-38.

7. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Экспериментальное исследование торцовых газостатических уплотнений с конусным, зазором // Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов: Сб. науч. тр. -Куйбышев, 1984. -С.8-13.

8. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Выбор параметров торцового уплотнения для авиационного ГТД // Авиац. пром. -М., 1985. -11 9. -С.20-22.

9. Чегодаев Д.Е., Фалалеев C.B. Динамические характеристики газового слоя торцового уплотнения с эластичной поверхностью // Трение и износ. -1985. -të 5. -С.945-949.

10. Фалалеев C.B. Методика расчета характеристик радиаль-но-торцовых контактных уплотнений с камерами Рэлея при наличии конусного зазора /Куйб. авиац. ин-т. -Куйбышев, 1985. -15с. -Деп. в ВИНИТИ 19.08.85, № 6110.

11. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Динамические характеристики торцовых гидростатических уплотнений двигателей летательных аппаратов : Метод, указания/ Куйб.авиац.ин-т. -Куйбышев, 1985. -28с.

12. Фалалеев C.B. Метод расчета характеристик торцового газостатического уплотнения с секторными камерами с учетом конусного зазора /Куйб. авиац. ин-т. -Куйбышев, 1985. -15с. -Деп. в ВИНИТИ 19.08.85, № 6109.

13. Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Исследование характеристик торцового газостатического уплотнения с эластичной поверхностью // Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов: Сб. науч. тр. -Куйбышев, 1985. -С.25-31.

14. Белоусов А.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Исследование динамических характеристик эластичного торцового газостатического уплотнения // Исследование гидростатических опор и уплотнений

двигателей летательных аппаратов: Сб. научн. тр. -Харьков,1986. -Вып.2. -С.44-49.

15. Фалалеев C.B. Статические характеристики торцового газостатического уплотнения с зазором сложной формы/Куйб. авиац. ин-т. -Куйбышев, 1987. -9с. - Деп. в ВИНИТИ 8.06.87, JM084-B37.

16. Белоусов Д.И., Зрелов В.А., Фалалеев C.B. Экспериментальное исследование эластичных торцовых газостатических уплотнений // Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов: Сб. науч. тр. -Куйбышев, 1987. -С.3-8.

17.Белоусов А.И., Фалалеев C.B., Чегодаев Д.Е., Штейнберг С.М. Разработка подсистемы САПР торцовых бесконтактных уплотнений // Исследование гидростатических опор и уплотнений двигателей летательных аппаратов: Сб. научн. тр. -Харьков, 1987. -Вып.З. -С.99-103.

18. Белоусов А.И., Фалалеев C.B. Обеспечение многорежимности торцовых бесконтактных уплотнений // Авиац. пром. -М., 1989. -№ 12. -С.26-28.

19. Белоусов А.И., Фалалеев C.B. Торцовое газостатическое уплотнение с эластичной рабочей поверхностью // Трение и износ. -1989. -Т. 10, № 3. -С.428-433.

20. Mueller Н.К., Falalejew S.W. Gasgeschmierte Gleitringdichtung als Lagerabdichtung fuer Flugtriebwerke// Konstruktion (Germany). - 1991. ÍM3. - S.31-35.

21. Белоусов А.И., Фалалеев C.B. Развитие методов расчета торцовых уплотнений с газовой смазкой/ Уплотнения и вибрационная надежность центробежных машин: Труды VI научно-техн. конф. - Сумы, 1991. - С.7-13.

22. Белоусов А,И., Зрелов'В. А., Фалалеев C.B., Харламов Р.В. Исследование торцовых уплотнений с камерами Рэлея / Уплотнения и вибрационная надежность центробежных машин: Труды VI научно-техн. конф. - Сумы, 1991. - С.14-19.

23. Фалалеев C.B., Зырянов A.A. Динамика торцового уплотнения в составе системы "ротор-опоры-уплотнение"/ Герметичность и вибронадежность насосов и компрессоров: Труды VII научно-техн. конф. - Сумы, 1993. - С.78-87.

24. Фалалеев C.B., Жижкин A.M. Исследование влияния фильтрующих и дросселирующих элементов на работоспособность торцовых уплотнений/ Актуальные проблемы трибологии: Тез. докл. 2 Российского симпозиума по трибологии. - Самара,1994. - 4.1. -С.40-41.

25. Фалалеев C.B., Жижкин A.M. Методика гидравлического и

- -¿г -

теплового расчета щеточных уплотнений из волокнистых пористых материалов /СГАУ -Самара, 1995. -22с. -Деп. в ВИНИТИ 12.05.95, № 1333 В95.

26. Фалалеев С.В., Лежин Д.С. Расчет параметров системы отвода утечек газа через торцовое бесконтактное уплотнение турбокомпрессора при звуковом истечении газа/ Надежность механических систем: Тез. докл. научно-техн. конф. - Самара,1995. -С.260.

27. Falalejew S. Kontaktlose Gleitringdichtungen mit elastischen Dichtflaechen/ Tribology - Solving Friction and Wear Problems: lOth International Colloquium. -Technische Akademie Esslingen: Ostfildern (Germany), 9-11 January 1996. -S.145-149.

28. Фалалеев C.B., Лежин Д. С. Разработка алгоритма автоматизированного расчета ресурса торцового контактного уплотнения многорежимной турбомашины /СГАУ -Самара, 1996. -11с. -Деп. в ВИНИТИ 1.02.96, № 361-В96.