Главная » 2014 » Сентябрь » 30 » Скачать Разработка методик расчета и проектирования торцовых гидродинамических уплотнений авиационных двигателей. Демура, Антон Сергеевич бесплатно
2:50 AM
Скачать Разработка методик расчета и проектирования торцовых гидродинамических уплотнений авиационных двигателей. Демура, Антон Сергеевич бесплатно
Разработка методик расчета и проектирования торцовых гидродинамических уплотнений авиационных двигателей
Диссертация
Автор: Демура, Антон Сергеевич
Название: Разработка методик расчета и проектирования торцовых гидродинамических уплотнений авиационных двигателей
Справка: Демура, Антон Сергеевич. Разработка методик расчета и проектирования торцовых гидродинамических уплотнений авиационных двигателей : диссертация кандидата технических наук : 05.07.05 / Демура Антон Сергеевич; [Место защиты: Сам. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева] - Самара, 2010 - Количество страниц: 148 с. ил. Самара, 2010 148 c. :
Объем: 148 стр.
Информация: Самара, 2010
Содержание:
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ ОПОР РОТОРОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
11 Анализ тенденций развития уплотнительных устройств авиационных двигателей
12 Анализ исследований и конструкций по МТГДУ с микроканавками
13 Особенности технологии изготовления колец пары трения
14 Постановка задач исследования
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЛОЯ ЖИДКОСТНОЙ СМАЗКИ
21 Разработка математической модели МТГДУ с микроканавками
211 Основные уравнения и допущения
212 Применение метода конечных объемов для создания методики расчета МТГДУ с микроканавками
213 Определение характеристик слоя жидкостной смазки
214 Учет шероховатости уплотнительных поверхностей
215 Учет потерь мощности на нагнетание смазки в зазор для создания гидродинамической несущей способности слоя
22 Выбор параметров расчетной модели
221 Сравнительные расчеты плоскопараллельной щели двумя методами
222 Анализ оптимальных параметров расчета уплотнения без микроканавок
223 Анализ оптимальных параметров расчета уплотнения с прямоугольными микроканавками
23 Исследование влияния различных факторов на характеристики слоя жидкостной смазки
231 Зависимость характеристик слоя жидкостной смазки от перепада давления
232 Зависимость характеристик слоя жидкостной смазки от частоты вращения вала
233 Зависимость характеристик слоя жидкостной смазки от конусности
234 Зависимость характеристик слоя жидкостной смазки от глубины канавок
235 Зависимость характеристик слоя жидкостной смазки от количества канавок
236 Зависимость характеристик слоя жидкостной смазки от динамической вязкости жидкости
237 Влияние сил инерции на характеристики слоя жидкостной смазки
24 Сравнение микроканавок различной формы
25 Выводы по главе 2
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЕЦ ПАРЫ ТРЕНИЯ
31 Анализ существующих методик теплового расчета
32 Решение сопряженной задачи
321 Решение двухмерной сопряженной задачи
322 Решение трехмерной сопряженной задачи
33 Анализ тепловых деформаций
331 Влияние мощности трения на величину искажения зазора
332 Влияние материала колец на величину искажения зазора
333 Влияние волнистости на характеристики уплотнения
34 Минимизация деформаций от перепада давления
35 Выводы по главе 3
ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
41 Разработка методики проектирования МТГДУ с микроканавками с учетом концепции совместного гидродинамического и теплового расчетов и многорежимности авиационных двигателей
42 Примеры применения созданной методики для анализа перспективных уплотнений авиационных ГТД и их агрегатов
421 Уплотнение HECKER с прямоугольными микроканавками
422 Уплотнение со структурами обратного нагнетания
423 Уплотнение FLOWSERVE с канавками HST
43 Примеры применения созданной методики для проектирования новых многорежимных уплотнений авиационных двигателей
431 Уплотнение для внутреннего подвода масла к опоре ротора авиационного двигателя
432 Уплотнение опоры ротора агрегата подачи топлива двигателя НК—361
433 Уплотнение опоры ротора КВД ТРДДФ
44 Выводы по главе 4
Введение:
Эксплуатационные параметры авиационных двигателей определяются допустимыми в их системах величинами рабочих температур, давлений и скоростей, пределы которых в основном диктуются состоянием уплотнительной техники. Среди проблем, возникающих при создании болыиересурсных двигателей, проблема уплотнений занимает одно из ведущих мест. Конструирование и применение уплотнений в АД требует учёта многих факторов, которые обычно не являются критическими для других областей техники.
Основные цели развития авиационных двигателей военного и гражданского применения, по мнению ЦИАМ [1], должны обеспечивать показатели двигателя принципиально нового уровня. Внедрение научно-технических достижений при разработке двигателей нового поколения должно обеспечить создание базовых двигателей с улучшенными в 1,5.2 раза показателями надежности при снижении суммарного уровня шума на 20.30 ЕРНдБ относительно действующих международных норм и эмиссии вредных веществ в 2.3 раза, повышение экономичности на 10. 15%, уменьшение числа ступеней на 30.40% и числа деталей на 50%, а также снижении в 2 раза трудоемкости технического обслуживания. Требуемый ресурс АД составляет 30 тыс.ч, а конвертированных двигателей - до 100 тыс.ч. Для достижения данных показателей необходимо решение научно-технических проблем, связанных с созданием, в том числе, высокоэффективных уплотнений газовоздушных и масляных полостей, работоспособных при высоких скоростях вращения и повышенном давлении [1]. Решение научно-технических проблем видится ЦИАМ только на основе использования современной методологии разработки конкурентоспособных.двигателей,, направленной на сокращение суммарных затрат и сроков создания авиадвигателей путем широкого применения методов математического компьютерного моделирования, интеграции систем трехмерного моделирования, компьютерного проектирования и автоматизированного изготовления [1].
Важнейшее значение имеют проблемы обеспечения большого ресурса двигателей и системы «управления» ресурсом как главных факторов экономичной и безотказной эксплуатации авиационных двигателей.
Основные проблемы, возникающие при создании новых авиационных ГТД в настоящее время, связаны, в первую очередь, с жесткими требованиями экономичности и экологичности. Эксплуатационные параметры ДЛА определяются допустимыми в их системах величинами рабочих давлений, скоростей, температур, пределы которых в основном диктуются состоянием уплотнительных систем.
В настоящее время торцовые уплотнения являются основным классом уплотнительных устройств. Постоянно повышающиеся требования к надёжности, герметичности и массе уплотнений вызывают интерес к малорасходным торцовым. .гидродинамическим . уплотнениям. Под малорасходным будем понимать такое уплотнение, для которого выполняется условие: 3,5-Ю-12 <т/Ар?)<1,4-1010 кг/с-Па-м, где т — утечки через уплотнение, Ар - перепад давления, D - диаметр вала. Анализ имеющихся норм по утечкам [2, 3] (рис. 1.1) позволяет выделить такие уплотнения в отдельный класс. Верхний предел ограничивает утечки общими требованиями к герметичности торцовых контактных уплотнений. Нижний порог определен на основе анализа работы существующих гидродинамических уплотнений, он показывает границу начала контакта шероховатостей рабочих поверхностей, что приводит к их интенсивному износу. На рис. 1.1 показаны параметры уплотнений, конструкция и работа которых исследовалась в первой и четвертой главе диссертации. Для уплотнения, спроектированного совместно университетом Штутгарта и СГАУ, приведена доля утечек через торцовый зазор. Однако данное разделение уплотнений условно, оно связано с актуальной областью величины утечек для создания перспективных уплотнений и все изложенные в работе принципы проектирования могут быть применены к любым гидродинамическим уплотнениям. т кг hpD'с? Па • м
1.Е-08 1.Е-09 1.Е-10 1.Е-11 1.Е-12
Ж Ж ? ? ? -А- ? -•- • •
Ш | ? | А |
Допускаемые утечки ТКУ (ВВС, Англия) "Нулевые утечки" (США) Диапазон утечек МТГДУ Допускаемые утечки ТКУ (ВМС, США)
Burgmann Hecker Uni. Stuttgart Flowserve Uni. Stuttgart-СГАУ
Изнашиваемое термогидродинамическое уплотнение
Неизнашиваемые уплотнения
Рис. 1.1. Нормы утечек и параметры МТГДУ
В МТГДУ гарантированная плёнка смазки создается за счёт совместного использования гидростатического и гидродинамического принципов, а также эффекта обратного нагнетания утечек жидкости назад в уплотняемое пространство посредством особого структурирования уплотнительных поверхностей. Это позволяет уплотнению работать с малой утечкой без изнашиваемости пары трения в широком диапазоне параметров на различных режимах работы. МТГДУ способны решить многие задачи, связанные с повышением надёжности и экономичности двигателей. Однако многочисленные попытки отечественных и зарубежных исследователей расширить область применения МТГДУ по частотам вращения роторов, перепадам давления и температуры сред, обеспечить их многорежимность лишь способствовали утверждению мнения, что существующие конструкции и методы их расчёта еще не совершенны, а проблема создания надёжных уплотнений АД до сих пор не решена. Возникает необходимость в системном подходе к исследованию и проектированию МТГДУ с учётом условий эксплуатации, а также в разработке перспективных конструкций уплотнений АД. Поэтому проблема создания научно-технического задела для разработки высокоэффективных, малорасходных, работающих без износа торцовых уплотнений для герметизации опор авиационных двигателей и их агрегатов является весьма актуальной. Результаты исследований могут быть использованы для отработки существующих изделий на повышенный ресурс.
Цель диссертационной работы — повышение достоверности расчётов, снижение сроков и затрат на проектирование торцовых гидродинамических уплотнений с пониженными утечками для опор роторов авиационных двигателей и их агрегатов за счет создания методики проектирования уплотнений с учетом сложных форм зазора и микроканавок, сил инерции, разрыва слоя смазки, шероховатости уплотнительных поверхностей и многорежимности двигателей.
В работе обобщены выполненные автором разработки в области создания методики проектирования перспективных малорасходных торцовых гидродинамических уплотнения для опор роторов авиационных двигателей.
В первой главе проведены исследования современного состояния уплотнительной техники и существующих- проблем их проектирования. Проведен анализ публикаций по тематике диссертации. Поставлены задачи исследования.
Во второй главе проведены исследования характеристик слоя жидкостной смазки. Разработана математическая модель и методика расчета МТГДУ с микроканавками произвольной формы, на основе которой создано программное обеспечение. Проанализировано влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на характеристики уплотнения.
В третьей главе проведен анализ тепловых и силовых деформаций колец пары трения, рассмотрены методы их расчета. Разработана методика расчета тепловых деформаций колец пары трения с учётом неравномерности температурного поля в них из-за наличия разрыва смазки. Исследовано влияние величины и формы деформаций на характеристики уплотнения.
В четвёртой главе разработана комплексная методика проектирования МТГДУ с микроканавками для опор роторов АД с учётом концепции совместного гидродинамического и теплового расчётов, а также многорежимности двигателя. Проведена проверка работоспособности созданной методики проектирования и использование её для разработки перспективных конструкций МТГДУ для АД.
Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, гидродинамики, теплопередачи, программирование с использованием языков высокого уровня, комплексная система автоматизированного проектирования «САТ1А», программный комплекс на основе конечных элементов «ANSYS».
Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем и обладающие научной новизной:
1. Теоретическое обоснование возникновения гидродинамической несущей способности в контакте торцового уплотнения от использования микроканавок и от волнистости уплотнительной поверхности, образуемой за счёт неравномерного теплообмена в кольцах пары трения при наличии зон разрыва смазки, что исключает изнашивание уплотнительных поверхностей и обеспечивает надёжность АД.
2. Обобщенная математическая модель и методика расчета МТГДУ с микроканавками произвольной формы, позволяющая учесть геометрические параметры уплотнений и характерные условия их работы в составе АД (перепад давления, температуру рабочей среды,-высокие частоты вращения ротора).
3. Методика расчета тепловых деформаций колец пары трения с учётом неравномерности температурного поля в них из-за наличия разрыва смазки.
4. Результаты математического моделирования процессов и исследования характеристик МТГДУ в составе опор ГТД и его агрегатов.
5. Методика проектирования многорежимных МТГДУ с микроканавками, реализованная в комплексе CAD/CAE-пакетов с возможностью включения в систему автоматизированного проектирования (САПР) двигателя. . - —.- .
6. Разработанные рекомендации по созданию высокоэффективных МТГДУ для новых двигателей, а также повышение эффективности двигателей находящихся в серийном производстве и эксплуатации путем замены используемых уплотнений на МТГДУ.
Достоверность полученных результатов подтверждается обоснованностью использования исходных предпосылок, физических законов, предложенного математического аппарата, соответствием результатов выдвигаемых в диссертации теоретических положений и натурных экспериментов.
Практическая ценность. Полученные теоретические положения развивают фундаментальные подходы к проектированию уплотнений и исследованию рабочих процессов. В работе представлены разработанные научно обоснованные рекомендации по выбору параметров МГДУ с учётом особенностей их эксплуатации в составе авиационного ГТД, в том числе и многорежимности. Предложенная методика комплексного проектирования создает научный задел по созданию высокоэффективных МТГДУ, что открывает реальную перспективу широкого их-внедрения в разрабатываемые авиационные двигатели, а также повышения эффективности двигателей, находящихся в серийном производстве и эксплуатации, путем замены используемых уплотнений на МТГДУ.
Разработанные методики расчёта, модели и алгоритмы использованы для моделирования работы торцовых уплотнений с микроканавками различной формы, созданных опытным путем фирмами HECKER (Германия) и FLOWSERVE (США), университетом Штутгарта (Германия), и при проектировании и экспериментальной отработке уплотнения подвода смазки к опоре ротора внутри вала (совместная разработка СГАУ и университета г. Штутгарта), рекомендованы для использования в ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, а также внедрены в учебном процессе СГАУ.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору Фалалееву С.В., а также сотрудникам кафедры КиПДЛА СГАУ за помощь в выполнении этапов диссертационной работы.
