Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшей частью летательных аппаратов (ЛА) различного назначения являются двигатели и энергоустановки, работоспособность которых во многом определяет возможность ЛА выполнять заданные функции. Для преобразования энергии жидких и газообразных рабочих тел в двигателях и энергоустановках используются турбины и насосы. Специфичные условия эксплуатации обуславливают особые требования к надежности агрегатов без возможности дополнительного осмотра и проведения регламентных работ. Ограничения по массе и габаритам не позволяют задавать избыточный запас прочности конструкции, поэтому необходима точная оценка параметров, характеризующих состояние объектов.
Надежность и ресурс работы насосных агрегатов в значительной степени определяются работоспособностью опор ротора, эффективностью уплотнительной системы, потребным режимом смазки и охлаждения. Как правило, уплотнения и опоры связаны с проточной частью насоса и между собой гидравлическим трактом, необходимым для нормальною функционирования машины. Изучение гидродинамики таких вспомогательных гидравлических трактов позволяет определять давления и расходы жидкости в элементах насоса и, следовательно, оценивать действующие на ротор осевые силы и энергетические характеристики. Среди факторов, влияющих на осевые силы и экономичность насосов, можно выделить конструктивно-технологические (размеры и форма элементов гидравлического тракта с учетом технологических и эксплуатационных отклонений) и режимные (протечки жидкости, взаимодействие с внешним основным потоком), а также свойства рабочей жидкости.
Высокие давления в турбонасосных агрегатах (ТНА) питания двигателей ЛА способствуют появлению значительных нагрузок, действующих на подшипниковые опоры, поэтому необходимо принимать специальные меры, направленные на уменьшение этих сил до приемлемой величины. В условиях серийного производства существует технологический разброс размеров деталей, который в итоге способен оказать влияние на величину осевой силы. Самым значительным оказывается влияние радиальных размеров зазоров щелевых уплотнений. В относительном значении технологический разброс размеров щелевых плавающих уплотнений составляет до 30% от номинальных значений самого зазора, что приводит к заметному изменению утечек и осевых сил вплоть до превышения допустимых значений. В промышленности такая
проблема решается эмпирическим путем с учетом имеющегося опыта. В то же время, современные методы математического моделирования позволяют прогнозировать возможный диапазон изменения осевых сил с учетом конструктивно-технологических факторов на этапе проектирования и доводки насосного агрегата. Распространенные методики расчета осевых сил могут применяться в узком диапазоне параметров и не обеспечивают необходимую точность в задачах такого плана.
Цель работы: совершенствование методики расчета гидродинамических осевых сил, расходного и дискового КПД агрегатов питания двигателей летательных аппаратов для оценки диапазона изменения параметров с учетом конструктивно-технологических и режимных факторов.
Достижение цели связано с решением следующих задач:
разработка математической модели течения жидкости в осевом зазоре между вращающимся диском и стенкой с учетом протечек через зазор и взаимодействия с внешним потоком;
проведение экспериментальных исследований с моделированием граничных условий, подобных существующим в боковых полостях насосных агрегатов;
разработка программного обеспечения для расчета распределения давлений и утечек во вспомогательных гидравлических трактах насосных агрегатов.
Основные положения, выносимые на защиту: -математическая модель течения жидкости в осевом зазоре между вращающимся диском и стенкой;
- методика расчета гидродинамических осевых сил, расходного и дискового КПД на
сосных агрегатов с учетом конструктивно-технологических и режимных парамет
ров вспомогательного гидравлического тракта;
Научная новизна. Выявлены и устранены ограничения на применение уравнений движения жидкости в осевом зазоре между вращающимся диском и стенкой, что дает возможность корректно описывать знакопеременное течение. Получены новые функции для распределения компонент скорости по ширине осевого зазора. Разработана математическая модель течения жидкости в осевом зазоре между вращающимся диском и стенкой, учитывающая граничные условия и радиальные протечки через зазор. Основные результаты экспериментально подтверждены в широком диапазоне изменения режимных параметров вспомогательного гидравлического тракта.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основе разработанной математической модели создана методика и программное обеспечение для расчета гидродинамических осевых сил, мощности дискового трения и расходов утечек насосных агрегатов в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров. Методика позволяет оценивать влияние технологических и эксплуатационных отклонений размеров элементов вспомогательных гидравлических трактов насосных агрегатов на осевые силы и расход утечек.
Реализация результатов. Разработанная методика опробована в ФГУП «Красноярский машиностроительный завод» для оценки влияния конструктивно-технологических факторов вспомогательных гидравлических трактов на осевые силы и КПД турбонасосных агрегатов. Материалы диссертации используются в учебном процессе СибГАУ при выполнении курсовых и дипломных проектов по курсу "Гидравлика и гидромеханические системы летательных аппаратов".
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на межвузовском семинаре "Гидродинамика и гидропривод" (Красноярск, 2000 г.); I и II Международных научно-практических конференциях "Сибирский аэрокосмический салон" (Красноярск, 2001, 2002 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 118 страницах, включает 37 рисунков и 3 таблицы. В списке литературы - 90 источников.
