Введение
Глава 1. Уплотнительные узлы роторов турбомашин как объект исследования 16
1.1. Роль уплотнений в роторных машинах 16
1.2. Бесконтактные уплотнения
1.2.1. Лабиринтные уплотнения 21
1.2.2. Сотовые, лунковые и другие типы демпферных щелевых уплотнений 22
1.2.3. Динамика бесконтактных уплотнений 24
1.3. Щёточные уплотнения 26
1.3.1. Обзор технологии щёточных уплотнений 26
1.3.2. Механические и тепловые характеристики щёточных уплотнений 31
1.3.3. Неметаллические щёточные уплотнения 34
1.3.4. Динамика щёточных уплотнений 36
1.3.5. Модификации щёточных уплотнений
1.4. Другие типы уплотнений с податливыми элементами 39
1.5. Дополнительные технологии контроля за утечками 43
1.6. Теоретические методы исследования уплотнений
1.6.1. Обзор теоретических подходов 46
1.6.2. Моделирование щёточных уплотнений 49
1.7. Структура исследования 54
Глава 2. Конструкции и принципы функционирования уплот нений турбомашин 56
2.1. Классификация уплотнений турбомашин 56
2.2. Щелевые и демпферные уплотнения 62
2.3. Лабиринтные уплотнения
2.3.1. Конструкции лабиринтных уплотнений 69
2.3.2. Основы течения газа в лабиринте 73
2.4. Щёточные уплотнения 75
2.4.1. Конструкции щёточных уплотнений 75
2.4.2. Параметры щёточных уплотнений
2.5. Пальчиковые и листовые уплотнения 88
2.6. Уплотнительные узлы в авиационных двигателях
2.6.1. Типы уплотнений в авиационных двигателях 92
2.6.2. Щёточные уплотнения в авиационных двигателях 95
2.7. Конфигурации исследуемых уплотнений 105
2.7.1. Короткие лабиринтные уплотнения 105
2.7.2. Щёточные уплотнения 106
2.7.3. Щёточно-лабиринтные уплотнения 108
2.7.4. Узел с тремя щёточными уплотнениями 109
2.8. Выводы по главе 2 110
Глава 3. Моделирование щёточных уплотнений 112
3.1. Подходы к расчёту уплотнений 112
3.1.1. Требования к моделям уплотнений 112
3.1.2. Оценка расхода через уплотнение 115
3.2. Моделирование течения в каналах уплотнений методами вычислительной гидродинамики 118
3.2.1. Система уравнений движения сжимаемой среды 118
3.2.2. Моделирование турбулентности 120
3.2.3. Граничные и начальные условия 125
3.2.4. Модель лабиринтного уплотнения 127
3.3. Модель пористой среды 129
3.3.1. Обобщённое уравнение Дарси 129
3.3.2. Выражения для коэффициентов сопротивления 131
3.3.3. Калибровка модели пористой среды 134
3.4. Модели щёточного уплотнения 135
3.4.1. Модель сегмента щёточного уплотнения 135
3.4.2. Полноохватная модель щёточного уплотнения 140
3.4.3. Модель многоступенчатого щёточного уплотнения 143
3.4.4. Модель дискретной структуры щёточного пакета 145
3.5. Механическая модель щёточного уплотнения 148
3.6. Выводы по главе 3 153
Глава 4. Анализ динамической системы «ротор – уплотнения» 155
4.1. Задачи динамики роторов 155
4.2. Конечно-элементные модели роторной системы
4.2.1. Подходы к моделированию динамики роторов 158
4.2.2. Балочная модель роторной системы 162
4.2.3. Трёхмерная модель роторной системы 167
4.2.4. Анализ динамики роторной системы 168
4.3. Результаты анализа динамики роторной системы 172
4.3.1. Роторная система турбовинтового двигателя 172
4.3.2. Балочная модель 176
4.3.3. Трёхмерная модель 180
4.3.4. Результаты моделирования переходных процессов 183
4.4. Влияние уплотнительных узлов на динамику роторов 191
4.4.1. Динамическая модель бесконтактного уплотнения 191
4.4.2. Методы расчёта динамических коэффициентов 196
4.5. Выводы по главе 4 202
Глава 5. Теоретические и экспериментальные методы исследования уплотнений 204
5.1. Методы вычислительной гидродинамики 204
5.1.1. Проведение расчётов методами ВГД 204
5.1.2. Сеточные методы 208
5.1.3. Генерация расчётной сетки 210
5.1.4. Проверка адекватности модели и проверка достоверности результатов 216
5.2. Описание моделей уплотнений 219
5.2.1. Модель уплотнения в пакете CFX 219
5.2.2. Модель уплотнения в пакете FLUENT 224
5.2.3. Модель уплотнения в пакете OpenFOAM 225
5.2.4. Организация связанных расчётов 231
5.3. Анализ ВГД-моделей 232
5.3.1. Влияние расчётных сеток на результаты 232
5.3.2. Влияние модельных параметров на решение 237
5.3.3. Сравнение методов расчёта динамических коэффициентов 240
5.3.4. Сравнение моделей пористой среды 246
5.4. Моделирование роторной системы 249
5.4.1. Прямое численное интегрирование 250
5.4.2. Пакеты MRACE, RACE и RACE3D 253
5.4.3. Анализ конечно-элементных моделей 256
5.5. Экспериментальные исследования 259
5.5.1. Экспериментальные стенды 259
5.5.2. Беспрецессионный стенд на жёстких опорах 261
5.5.3. Динамический стенд на податливых опорах 268
5.6. Выводы по главе 5 273
Глава 6. Анализ характеристик уплотнений 275
6.1. Характеристики лабиринтных уплотнений 275
6.1.1. Короткие лабиринтные уплотнения 275
6.1.2. Лабиринтное уплотнение с 20 гребешками 291
6.2. Характеристики щёточных уплотнений 304
6.2.1. Изменение зазора в щёточном уплотнении 304
6.2.2. Изменение толщины щёточного пакета 306
6.2.3. Давление в узлах с щёточными уплотнениями 307
6.3. Расход узлов с щёточными уплотнениями 315
6.3.1. Щёточно-лабиринтные уплотнения 315
6.3.2. Щёточное уплотнение с тремя пакетами 319
6.4. Динамические коэффициенты узлов с щёточными уплотнениями 320
6.4.1. Щёточно-лабиринтные уплотнения 320
6.4.2. Щёточное уплотнение с тремя пакетами
6.5. Эффект сегментирования щёточного пакета на расход и динамические коэффициенты 336
6.6. Результаты дискретной модели щёточного уплотнения 344
6.7. Использование механических моделей уплотнений 349
6.8. Выводы по главе 6 352
Глава 7. Практические вопросы по применению щёточных уплотнений в роторных системах авиационных двигателей 355
7.1. Сравнительный анализ характеристик исследованных уплот
нений 355
7.1.1. Обобщённый анализ 355
7.1.2. Расходные характеристики 357
7.1.3. Локальные коэффициенты жёсткости 359
7.1.4. Глобальные коэффициенты жёсткости 362
7.1.5. Глобальные коэффициенты демпфирования 364
7.2. Формирование жесткостных характеристик в каналах уплотнений 366
7.2.1. Короткие лабиринтные уплотнения 366
7.2.2. Щёточно-лабиринтные уплотнения SSB и BSS 370
7.3. Методика оценки расхода через щёточное уплотнение 373
7.3.1. Базовые щёточные уплотнения 373
7.3.2. Характеристики расхода, радиального зазора и сжатия пакета базовых уплотнений 375
7.3.3. Инженерный подход для оценки расхода через щёточное уплотнение 379
7.4. Применение описанных подходов в практических расчётах 380
7.4.1. Оценка расхода щёточных уплотнений 380
7.4.2. Щёточные уплотнения «Ивченко-Прогресс» 384
7.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениями 387
7.5.1. Вопросы трибологии щёточных уплотнений 387
7.5.2. Анализ конструкций и выбор параметров щёточных уплотнений 391
7.5.3. Экспериментальный стенд МАИ 397
7.6. Выводы по главе 7 399
Заключение 401 Условные обозначения, индексы и сокращения 404
Список литературы 409
Список иллюстраций
