Введение к работе
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-
- 4 -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 pa60TV 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 і выполнением расчетов с использованием IBM PC и SUN. Достоверності 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-
- 5 -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 MP, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, и созданы методики их расчета.
Разработана динамическая модель ТбКУ с учетом сложного динамического нагружения (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
- 6 -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 турбомашинах, 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 турбомашины - 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 новогс 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 T6KV ДЛА с учетом реальных условий эксплуатации и свойств рабочего тела внедрены на ряде предприятий Российской Федерации и на фирме "Feodor Burgmann" (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 П 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 з 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 по 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.
