Проектирование уплотнения как элемента систем и узлов авиационного двигателя

УДК 621.452.32

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЯ КАК ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМ И УЗЛОВ

АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

© 2012 А. С. Виноградов

Предлагается новый метод проектирования уплотнений авиационных двигателей и энергетических установок. Метод заключается в исследовании уплотнения как элемента силовой схемы, масляной и воздушной систем с учётом работы двигателя на нестационарных режимах.

Уплотнение, метод проектирования, авиационный двигатель, утечки, внутренняя воздушная система, опора, деформации, масляная система, динамика.

Создание новых образцов техники неразрывно связано с решением проблемы уплотнений. Конструирование уплотнений основано на решении комплекса взаимосвязанных задач. Необходимо рассматривать одновременно газо- и гидродинамические, тепловые и силовые проблемы. В ряде случаев рассматриваются и деформации деталей уплотнений на переходных режимах. Сложные расчётные модели особенно актуальны при проектировании авиационных, ракетных двигателей и создаваемых на их основе энергетических установок.

Главные проблемы, решаемые при разработке конструкции уплотнения, это -обеспечение герметичности и ресурса. Их решение осложняется достигнутыми на сегодняшний день параметрами. В опорах авиационных двигателей уплотнения работают при температурах до 1000 К, давлениях до 1 МПа, окружной скорости до 250 м/с. В перспективе ожидается дальнейшее увеличение степени сжатия воздуха в компрессоре, температуры газа перед турбиной, степени двухконтурности, частоты вращения роторов, что повысит нагрузки на узлы уплотнений. Следует учесть, что наряду с ростом параметров двигателей увеличивается их ресурс. Требуемые ресурсы: ГТД - 50 тыс. ч., конвертируемых двигателей - до и более 100 тыс.ч. Внедрение новой техники и конвертирование двигателей сдерживается отсутствием доведённых высокоресурсных уплотнительных узлов, которые были бы работоспособны и в более жёстких условиях эксплуатации. [1,2]

В настоящее время в качестве уплотнений опор роторов турбомашин широко приметаются лабиринтные, торцовые, радиаль-

но-торцовые уплотнения, графитовые сегментные уплотнения. В последнее время большое внимание уделяется исследованию газодинамических и газостатических уплотнений, которые работают с гарантированной газовой смазкой в паре трения. В статье пойдёт речь преимущественно об этих уплотнениях, хотя разработанные методики и полученные выводы могут быть отнесены и к традиционным типам уплотнений.

Комплекс вопросов, возникающих при проектировании торцовых уплотнений с газовой смазкой, требующих обширного расчётного исследования, представлен на рис. 1. [1]. В рамках рассматриваемого подхода эти вопросы можно условно назвать «внутренними», т.к. для их решения используются только параметры внутри уплотнительного узла.

Течение охлаждающегося газа б полости перед уплотнением

Теплообмен -=

Силобые

и температурные деформации колец

Вращение и оседые перемещения дала

Создание газодинамического дад лени я 6 зазоре с быделением тепла

Рис. 1. Основные проблемы, решаемые при проектировании пары трения уплотнительного узла

Особо следует выделить следующие вопросы:

1) влияние структуры течения уплотняемой (охлаждающей) среды в полости перед уплотнением (формы полости перед уп-

лотнением) на тепловое состояние уплотнения;

2) влияние геометрии уплотнительных колец на величины тепловых и силовых деформаций, возникающих в них;

3) влияние деформаций колец на форму и величину уплотнительной щели;

4) влияние формы и величины уплотнительной щели на распределение давления в зазоре уплотнения;

5) влияние поля давлений в зазоре уплотнения на величину деформации колец уплотнения.

В настоящее время при проектировании АД и ЭУ уплотнения рассматриваются в виде отдельного узла. Параметры потока в уплотнительном зазоре и размеры подводящих и отводящих каналов являются изна-

чально заданными. Однако в многорежимной силовой установке (авиационном двигателе), такой подход не даёт достаточно точных результатов. Развитие расчётных методов позволяет выполнить исследование уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабжения, масляной системы и в составе опоры с учётом изменения параметров на переходных режимах. Подобный подход позволяет увязать характеристики уплотнения с параметрами эффективности всего двигателя и оценить дополнительные факторы, которые могут оказать влияние на работоспособность уплотнения. Рис. 2. показывает основные «внешние» проблемы, требующие решения при проектировании уплотнения.

теплоотдача 6 масляную  полость от у уплотняющей среды

' силовые и температурные деформации

параметры системы Внутреннего йоздухосноВжения Д

теплоотдача 6 масляную деталей опроры полость от стенок опоры прокачка масла

Рис. 2. Вопросы, рассматриваемые при проектировании уплотнения как элемента двигателя и его систем

К основным «внешним» вопросам следует отнести:

1) влияние герметичности уплотнения на параметры системы внутреннего воздухоснабжения (величину отборов воздуха на наддув и суфлирование, охлаждение горячих элементов, систему разгрузки);

2) влияние силовых и тепловых деформаций стенок опоры на величину уплотнительного зазора на всех режимах работы двигателя;

3) влияние герметичности уплотнения на теплоотдачу в масло и непосредственно связанную с этим величину прокачки масла;

4) связь характеристик уплотнения с деформациями уплотнительных колец на переходных режимах;

5) влияние герметичности уплотнения на показатели эффективности двигателя;

6) прогнозирование надёжности уплотнительного узла и его влияние на параметры надежности двигателя.

Для более детального моделирования процессов, протекающих в уплотнении, предлагается исследовать его работу в составе системы внутреннего воздухоснабжения двигателя.

Решаются следующие задачи: определение эффективности работы уплотнения в системе внутреннего воздухоснабжения АД и ЭУ, расчёт взаимовлияния параметров системы воздухоснабжения и характеристик уплотнения друг на друга, выбор уточнённой конструкции уплотнения.

Укрупнённо процесс проектирования уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабжения можно представить в виде трёх этапов.

Первый этап состоит в связанном определении параметров потока в проточной части АД и ЭУ и коэффициентов конвективной теплоотдачи каналов. Данный метод описан, например, в [3] и широко применяется при проектировании авиационных двигателей. Такой подход приводит к решению обратной задачи: по известной геометрии каналов и значениям газодинамических параметров необходимо определить параметры потоков по всей сети. При этом расчёт должен учитывать влияние подогрева потока. Задача должна решаться методом последовательных приближений. Приведенный метод термомеханического расчёта двигателя был реализован на примере системы охлаждения турбины двигателя НК-93 фирмы ОАО «СНТК им.

Н.Д. Кузнецова», модели двигателя ОЕ9С) и нагнетателя 370-14-1.

Второй этап заключается в определении напряжённо-деформированного состояния деталей каналов и, в частности, деталей уплотнительного узла.

На третьем этапе оценивается влияние герметичности уплотнительного узла на параметры эффективности двигателя.

Данная оценка существенно зависит от места положения уплотнения в конструкции двигателя (уплотнения опор компрессора и турбины, уплотнения системы охлаждения и разгрузки, уплотнения проточной части).

Применение данного подхода проектирования уплотнения позволит не только скорректировать деформации уплотнительного кольца на различных режимах, но и сделает возможным применение перспек-

тивных бесконтактных уплотнений не только в опорах, но и в проточной части двигателя [1,4, 5].

Наиболее важным условием обеспечения герметичности и надёжности уплотнения является обеспечение требуемой формы уплотнительного зазора и приемлемого уровня напряжений в деталях уплотнительного узла. Образующиеся повышенные деформации способны привести к разрушению колец или к полному раскрытию стыка. Оба случая являются недопустимыми для авиационных двигателей и энергетических установок. [1, 2]

Рассмотрим далее некоторые аспекты проектирования уплотнения в составе опоры. Опоры двигателя можно классифицировать по следующим признакам:

- месту положения;

- видам воспринимаемых (передаваемых) нагрузок;

- применяемым элементам (подшипникам, уплотнениям, демпферам).

По месту положения опоры можно разделить на опоры компрессора и турбины. Для опор компрессора наиболее часто используемыми вариантами являются переднее расположение опоры, расположение между каскадами и заднее расположение, связанное либо с наружным, либо с внутренним корпусом камеры сгорания. Аналогичную классификацию можно привести для опор турбин. Расположение опоры сильно влияет на тепловое и напряжённо-деформированное состояние её элементов. Следует учитывать и влияние общей компоновки опоры в составе двигателя. Например, применение совмещённой опоры для трёх турбин трёхвального двигателя чрезвычайно затрудняет обеспечение охлаждения её элементов.

Для анализа работы уплотнения необходимо выделить основные виды нагрузок, действующих на опору и оценить их влияние на деформации деталей уплотнительного узла. Необходимо исследовать как раздельное влияние отдельных компонентов нагружения, так и результат их совместного воздействия. Влиянию деформаций на характеристики уплотнений (контактных и бесконтактных, статических и динамических) посвящено большое число публикаций. Но традиционно рассматривается только та де-

формация колец пары трения, которая возникает от действия уплотняющей и уплотняемой сред, а также сопряжённых деталей конструкции. Однако на деформацию колец могут оказывать влияние все виды нагрузок, действующих на опору. И это влияние может быть значительным.

В общем случае на опоры компрессора и турбины действуют следующие внутренние нагрузки: тепловые, перепады давления, радиальные и осевые нагрузки от ротора, крутящие моменты. К внешним нагрузкам относятся: инерционные, в том числе гироскопические моменты роторов при эволюциях самолёта, аэродинамические нагрузки с внешних обводов мотогондолы и связанные с неосевым входом рабочего тела в вентилятор, тяга, вес [6].

Важность рассмотрения уплотнения как элемента опоры была подтверждена расчётным исследованием эксплуатационного дефекта. На двигателях НК-144 во время полёта возникал следующий дефект: повышение давления во внутренней полости опоры до 1 кг/см2 (при допускаемом 0,5 кг/см2) (рис. 3).

Дефект возникал в момент подлёта самолёта к пункту назначения. Самолёт, летящий со скоростью 2,2М, снижал её до 0,8М. Одна из предполагаемых причин - деформация опоры вследствие резкого сброса газа. При изменении режима стенки опоры «расходились», нарушая герметичность уплотнения.

Разработанные модели и созданные методики позволяют также анализировать каждый из видов нагружения опоры на характеристики уплотнений и выбирать в каждом отдельном случае наиболее значимые из них.

Работоспособность подшипников качения в опорах ГТД и других узлов трения в течение заданного ресурса существенно зависит от герметичности окружающей его масляной полости и количества тепла, поступающего в неё. Существенная часть тепла вносится не только с рабочим телом через уплотнения, но и через стенки опоры и в сумме может достигать 80%. Особенно важно изучать работу уплотнения в составе масляной системы двигателя, а также влияние процессов, происходящих в уплотнении, на работу масляной системы [7]. Это связано, в первую очередь, с тем, что подогрев масла в опоре двигателя должен находиться в диапазоне 40 - 70 градусов. При современных уровнях температуры обеспечить выполнение этого требования очень сложно.

Проанализированы величины прокачек масла через авиационные ТРДД, ТРДДФ (рис.4а) и ТВД (рис.4б).

1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000

Тяга двигателя

а

250 200

5

£

І 150 г

Л 100

50 О

О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Мощность двигателя

б

Рис. 4. Прокачка масла через двигатели: ТРДД, ТРДДФ

Из анализа рисунков можно заключить, что объём прокачиваемого масла напрямую зависит от тяги (мощности) двигателя. Для двигателей ТВД он на 40 - 50 % больше. Другим фактором, влияющим на прокачку

НК-14СТ

НК-12

АИ-24

тв3-117

масла, является суммарный тепловой поток, проникающий в опору. Это влияние иллюстрируется на рис. 5, где показаны экспериментальные зависимости прокачек масла через три опоры двигателя НК-22.

Рвх-Ро кг/си2

Рис. 5. Прокачка масла через три опоры двигателя НК-22

Дальнейшее применение предлагаемого метода целесообразно для исследования наиболее перспективного варианта тепловой защиты опоры - буферной полости, который нашел применение на многих современных двигателях [7] и отдельных элементов подвода и отвода масла внутри опоры [8].

Значительная часть повреждений в уплотнениях происходит в результате возникновения в них опасной вибрации. На рис. 6. показано кольцо уплотнения, разрушившееся при переходе компрессора в режим помпажа из-за нарушения технологии эксплуатации.

динамического возбуждения и разработка рекомендаций по выбору конструкции уплотнений.

Внешние возмущения, вибрация вала, биения вращающихся деталей обуславливают возникновение нестационарных процессов, нарушающих равновесие и устойчивость подвижного в осевом направлении кольца уплотнения и возбуждающих колебания в уплотнениях [9]. Вопросы динамики наиболее актуальны для уплотнений, работающих при высоких скоростях вращения в сжимаемых средах.

Для решения поставленной проблемы предлагается следующая последовательность расчёта:

1) выбор полётного цикла (или цикла работы энергетической установки) и определение температурных нагрузок и сил давления;

2) проведение связанных теплового и структурного расчётов опоры и уплотнения (например, в пакете АЫБУБ) для определения влияний деформации деталей опоры и уплотнения на геометрические параметры уплотнения;

3) проведение динамического расчёта ТЕКУ с учётом нелинейности (заключается в учёте деформации уплотнительных колец, которая вызывает нелинейное изменение параметров воздушного слоя при изменении формы рабочего зазора).

А7 і

а=ОМ

Рис. 7. Зависимость амплитуды изменения зазора от частоты колебаний с учётом нелинейности

Рис. 6. Разрушившееся кольцо исследуемого уплотнения нагнетателя Поэтому необходимо создание методики расчёта динамики торцового газодинамического уплотнения с учётом особенности его эксплуатации в составе турбомашины, позволяющих оценивать напряжённо-дефор-мированное состояние колец пары трения при различных частотах вращения с учётом

В результате расчёта определяются изменение величины и формы зазора во времени, изменение жёсткости смазочного слоя, коэффициента демпфирования, а также амплитудно-частотная характеристика. Созданная модель уплотнения позволяет анализировать линейные и угловые колебания. В ходе динамического расчёта отслеживается

изменение величины зазора между подвижным и неподвижным кольцами уплотнения, а также изменение его формы. В итоге получаем зависимости амплитуды изменения зазора от частоты колебаний, имеющих характерные изменения формы кривой из-за нелинейного изменения жёсткости (рис. 7).

Нелинейное изменение жёсткости воздушного слоя вследствие деформации уплотнительных колец приводит к «заваливанию» АЧХ. Обычно уплотнение проектируют так, чтобы оно работало на ниспадающей ветви жёсткостной характеристики.

Полученная АЧХ позволяет внести необходимые конструктивные изменения для обеспечения стабильной работы исследуемого уплотнения (например, увеличить коэффициент демпфирования воздушного слоя за счёт изменения формы каналов на контактирующих поверхностях уплотнительных колец).

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки) на основании постановления Правительства РФ № 218 от 09.04.2010.

Библиографический список

1. Фалалеев, С.В. Торцовые бесконтактные уплотнения двигателей летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие / С.В. Фалалеев, Д.Е. Чегодаев. М.: Изд-во МАИ, 1998. - 276 с.

2. Белоусов, А.И. Конструкция и проектирование уплотнений вращающихся валов турбомашин двигателей летательных аппаратов [Текст]: учебное пособие / А.И. Бело-

усов, В.А. Зрелов. Куйбышев: КуАИ, 1989. -104 с.

3. Улучшенный алгоритм поступенчатого расчета проточной части турбины по параметрам за последней ступенью [Текст] / В.М. Капинос, В.Н. Пустовалов, В.В. Навроцкий [и др.] // Вестник НТУ «ХПИ», №11, 2004. -С.105-108.

4. Muller Y. Secondaty air system model for integrated thermomechanical analysis of a jet engine// ASME-Pap-GT-2008-50078.

5. Иноземцев, А.А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергети-чесикх установок: учеб. / А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, B.JI. Сандрацкий. - М.: Машиностроение, 2008. - Т.З. - 227 с.

6. Кочеров, Е.П. Проектирование подвески ГДТ на летательном аппарате [Текст]: Учебное пособие / Е.П. Кочеров, Н.И. Старцев. Самара: СГАУ, 1999. - 50с.

7. Трянов, А.Е. О тепловой защите масляных полостей опор создаваемых ГТД [Текст]/ А.Е. Трянов, О.А. Гришанов, А.С. Виноградов // Вестник СГАУ №3 4.1. Самара, 2009. - С. 318-329.

8. Flouros, М. The impact of oil and sealing air flow, chamber pressure, rotor speed, and axial load on the power consumption in an aeroengine bearing chamber [Text]/ M. Flouros // Transactions of the ASME. - JANUARU 2005. -Vol. 127. -P. 182-186.

9. Фалалеев, С.В. Динамические характеристики торцового газодинамического уплотнения в газоперекачивающем агрегате с магнитным подвесом [Текст] / С.В. Фалалеев, В.В. Седов // Газотурбинные технологии, 2009 №3. -4с.

SEAL DESIGNING AS ELEMENT OF AIRCRAFT ENGINE SYSTEMS

AND ENGINE UNITS

© 2012 A. S. Vinogradov

Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov

In article the new method for designing of aircraft engine and power plant seal is offered. This method consists of seal research as element of the force system, oil and internal air systems, and also in view of engine work on transient modes.

Seal, designing method, aircraft engine, leakage, secondary air system, support, deformations, oil system, dynamic.

Информация об авторах

Виноградов Александр Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов, Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет). E-mail: a.s.vinogradov@list.ru. Область научных интересов: торцовые уплотнения, конструкция авиационных двигателей, надёжность машин.

Vinogradov Alexandr Sergeevich, candidate of technical science, associate Professor of department of construction and design of aircraft engines, Samara State Aerospace University named after Academician S.P. Korolyov (National Research University). E-mail: a.s.vinogradov@list.ru. Area of Research: face seals, aircraft engine design, reliability of machines.