Анализ влияния характеристик уплотнений в системе внутреннего воздухоснабжения на параметры эффективности АД и ЭУ

УДК 621.452.3.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УПЛОТНЕНИЙ В СИСТЕМЕ ВНУТРЕННЕГО

ВОЗДУХОСНАБЖЕНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ АД И ЭУ

А.С. Виноградов, А.Ю. Тисарев, А.С. Мятлев, А.В. Иванов

В статье предлагается методика проектирования уплотнения в системе внутреннего воздухоснабжения для авиационных двигателей и энергетических установок. Методика позволяет рассчитывать параметры уплотнения в зависимости от теплового состояния деталей ротора и статора и связывает их с эффективностью двигателя. В качестве примеров расчета были выбраны уплотнения в воздушной системе двигателя НК-93, модели турбины двигателя ОБ90 и лабиринтного уплотнения нагнетателя 370-14-1

Ключевые слова: уплотнение, расчет, система внутреннего воздухоснабжения

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 изначально заданными. Однако в многорежимной силовой установке (авиационном двигателе), такой подход не дает достаточно точных результатов. Для более детального моделирования процессов, протекающих в двигателе, предлагается исследовать работу уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабжения АД и ЭУ.

В ходе исследования решаются следующие задачи: определение эффективности работы уплотнения в системе внутреннего воздухоснабжения АД и ЭУ, расчет взаимовлияния параметров системы воздухоснабжения и характеристик уплотнения друг на друга, выбор уточненной конструкции уплотнения.

Укрупнено процесс проектирования уплотнения в составе системы внутреннего воздухоснабже-ния можно представить в виде трех этапов.

Первый этап состоит в связанном определении параметров потока в проточной части АД и ЭУ и коэффициентов конвективной теплоотдачи каналов.

Такой подход приводит к возникновению необходимости решения обратной задачи: по известной геометрии каналов и значениям газодинамических параметров (как правило — давления и температуры) необходимо определить параметры потоков по всей сети. При этом расчет должен учитывать влияние подогрева потока, поскольку температуры элементов системы обладают значительной неравномерностью.

Метод расчета основан на представлении системы охлаждения в виде графа, из которого выделяются базисные хорды и строится минимальное дерево.

Виноградов Александр Сергеевич - СГАУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (846) 267-46-81

Тисарев Андрей Юрьевич - СГАУ, аспирант, тел. (846) 267-46-81

Мятлев Александр Сергеевич - СГАУ, аспирант, тел. (846) 267-46-81

Иванов Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел.(473) 234-64-18

Расчет параметров системы воздухоснабжения можно разделить на несколько стадий:

1. Формирование модели системы охлаждения, определение геометрических параметров элементов системы.

2. Задание граничных условий для свободных узлов (давление и температура).

3. Задание температур стенок каналов для учета подогрева воздуха.

4. Расчет системы.

5. Анализ результатов расчета.

Необходимо указать среднюю температуру

стенок каналов. Как правило, на этапе проектирования системы эти значения не известны. Поэтому задача должна решаться методом последовательных приближений (рис. 1). В первом приближении температуры задаются по данным прототипа или из опыта проектирования систем охлаждения. Для поверочных расчетов, как правило, одного приближения по температурам стенок каналов бывает достаточно. Если же целью расчета является точное определение параметров потока в цепи системы воздухо-снабжения, то число итераций должно быть увеличено.

Рис. 1. Схема итерационного расчета

Пример определения коэффициентов конвективной теплоотдачи для модели деталей турбины НД двигателя вЕ90 приведен на рис. 2.

Второй этап исследования заключается в определении напряженно-деформированного состояния деталей каналов и, в частности, деталей уплотнительного узла (рис. 3).

Третий этап заключается в оценке влияния 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). Были разработаны методики оценки уточнения КПД узлов и удельного расхода.

Рис. 2. Некоторые результаты расчета параметров системы охлаждения модели двигателя вЕ90

Рис. 3. Распределение температур на максимальном крейсерском режиме модели двигателя вЕ90

Приведенная методика была реализована на примере системы охлаждения турбины двигателя НК-93 фирмы ОАО «СНТК им. Н.Д. Кузнецова», модели двигателя вЕ90 и нагнетателя 370-14-1.

Для рассматриваемой системы двигателя НК-93 проводилась оценка влияния изменения радиального зазора в лабиринтном уплотнении за компрессором на другие уплотнения системы и температурное состояние системы в целом.

Изменение зазора в уплотнении за КВД приводит к изменению утечки закомпрессорного воздуха

высокого давления. При рабочей величине зазора эта утечка составляет 0,6%. Большая его часть (0,55%) сбрасывается через статор и лабиринт У1 в тракт перед рабочим колесом. При снижении утечки за КВД снижается температура уплотнения вала ВД и закомпрессорного уплотнения и увеличивается температура уплотнения У2 (закомпрессорный воздух охлаждает уплотнение, расположенное в горячей зоне). В рабочем состоянии расход воздуха за КВД создает такой перепад давлений, что расход воздуха через лабиринт У2 отсутствует. При существенном увеличении расхода через рассматриваемое уплотнение происходит небольшое подмешивание горячего воздуха к охлаждающему. Снижение зазора приводит к снижению утечки закомпрессор-ного воздуха, что, в свою очередь, приводит к снижению давления в межлабиринтной полости У1-У2 и утечке охлаждающего воздуха в тракт (рис. 4).

На рис. 5 показано влияние утечки воздуха за КВД на расход через уплотнение У2. Видно, что при номинальном значении утечки 0,6% расход через уплотнение практически отсутствует. Снижение утечки приводит к росту расхода через У2 (участок положительного расхода по оси ординат). При увеличении утечки наблюдается обратное течение в лабиринте (участок отрицательного расхода по оси ординат), что говорит о подмешивании (рис. 5) горячего воздуха (по сравнению с воздухом, прошедшим аппарат закрутки) к охлаждающему. Также следует отметить, что при изменении расхода через лабиринт за КВД в широких пределах может изменится направление течения охлаждающего лицевую сторону диска ТВД воздуха.

ПодмешиВание горячего воздуха^ I | I Воздуха к охлаждающему

Рис. 4. Возможные течения через уплотнение У2

Рис. 5. Влияние утечки закомпрессорного воздуха на расход через уплотнение У2

На основании рассмотренных методик и проведенных расчетов было предложено изменение конструкции системы охлаждения двигателя НК-93,

позволяющее снизить затраты воздуха на охлаждение рабочего колеса турбины ВД с 4,65% до 4,38%.

Данная методика позволила спроектировать лабиринтное уплотнение в системе внутреннего воздухоснабжения нагнетателя.

В процессе исследования рассматривалось изменение следующих параметров: радиальный зазор, диаметры подводящих отверстий, количество отверстий, количество гребешков и форма зубьев.

На рис. 6 показаны расходные характеристики уплотнения для различных величин радиального зазора.

-^—0,3 ММ -—0,35 ММ -*-0,4 -р—0,45 -*—0,5 ♦-0,55 0,6 0,7

Пу

Рис.6. Расходные характеристики уплотнения для различных величин радиального зазора

Расходные характеристики исследуемого уплотнения были получены на основе расчетов конечно-элементной модели в программном комплексе FLUENT

t 744*05 «Т>-05

WvOS

•і «чи !*»•« >»•« VOi -І4-0*

Рис. 7. Распределение полного давления

При исследовании уплотнения в составе модели системы разгрузки РУП турбины низкого давления двигателя GE90 было получено изменение размеров элементов ротора, статора и радиального зазора (рис.8). Зазор в рассматриваемом уплотнении изменяется существенно: от 0,55мм до 1,2 мм.

Данные исследования подтверждают тот факт, что зазоры в уплотнениях, зависящие от целого ряда факторов, оказывают определяющее влияние на эффективность двигателя в целом. Следовательно, проектирование и установка уплотнений с наиболее выгодными характеристиками является важной задачей. В нашем случае возможно вместо имеющихся лабиринтных уплотнений использовать уплотнение разработанное компанией Stein Seal [3].

Время, с ск

♦“Исрспешсиня ротора -•“Псремсшяикг статора Затор

Рис. 8. Изменение зазора при запуске, выходе на земной малый газ, приемистости, наборе высоты и крейсерском режиме

Фирма Stein Seal изготовила газостатическое уплотнение в комбинации с обычным лабиринтным однозубым уплотнением, в дальнейшем будем называть его малорасходным уплотнением [1]. Главным недостатком, ограничивающим применение газостатического подшипника для целей уплотнения, является необходимость установки воздушного (газового) насоса, развивающего запорное давление, превышающее давление уплотняемой среды. В малорасходном уплотнении давление уплотняемой среды и используется как запорное для наддува газостатического уплотнения, которое располагается после лабиринтного (однозубого), где давление ниже, чем в уплотняемой среде. Перепад давлений, возникающий на однозубом уплотнении используется также для автоматического подсоса подвижной в осевом направлении статорной части уплотнения к роторной до получения расчетного торцевого зазора 5 между ними.

На рис. 9 показано малорасходное уплотнение, испытываемое для GE Stein Seal.

Утечка воздуха через описанное торцевое уплотнение в основном является по сути расходом, необходимым для питания газостатического подшипника. Этот расход (утечка) тем меньше, чем меньше торцевой зазор 5T в уплотнении, который на рис. 9 показан условно.

а* С *1 1" \ЫШШ

гч \ ро,°г %

± к и ІЛ.НіЛ ТЛ*- «к О *Т\ NN

с д

Рис. 9. Конструкция малорасходного уплотнения

Работает уплотнение так:

- на неработающем двигателе давление везде равно атмосферному и статорное кольцо 1 отведено

от торцевой поверхности ротора в осевом направлении пружинами 4 на несколько миллиметров (2...6

мм),

- после запуска двигателя появляется давление газового тракта перед зубом аспиратора «а» и течение воздуха через зазор SR. Возникающий на зубе а, перепад давлений воздуха действует на кольцо 1 и начинает подсасывать (пододвигать) кольцо 1 к ротору, преодолевая усилия пружин 9.

- приближение кольца 1 к ротору, и образование щели (с зазором ST) между ним и ротором сопровождается нарастанием давления в этой щели (в газостатическом подшипнике), питаемой по жик-лерным каналам с воздухом с давлением Р0

- уже на режиме малого газа и далее на всех режимах кольцо 1 достигает рабочего положения, т. е. останавливается у ротора при маленьком зазоре ST, равном 30...60 мкм в положении статического равновесия, когда силы от перепада давлений на кольцо, действующие справа налево, автоматически уравновешиваются силой, возникшей в гидростатическом подшипнике и действующей слева направо.

В окончательном варианте конструкции уплотнения Stein Seal [2] получен физический зазор

О __ 60

T ~ мкм, что при полученном коэффициенте расхода М _ 0,75 соответствует неплохому эффек-

ОЭф М ' ОТ 45 и

тивному зазору ф Т мкм. И относи-

тельный эффективный зазор равен:

~5~ф _-*L _ 0,0492 • 10-3

Эф D

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Воронежский государственный технический университет

ANALYSIS OF THE SEAL CHARACTERISTICS INFLUENCE IN THE SECONDARY AIR SYSTEM ON THE EFFICIENCE PARAMETERS OF AIRCRAFT ENGINES

AND POWER PLANTS

A.S. Vinogradov, A.Yu. Tisarev, A.S. Myatlev, A.V. Ivanov

The article offers a method of seal designing in the secondary air system for aircraft engines and power plants. This method allows to compute the seal parameters, depending from the thermal state of the rotor and stator and connects it with the efficiency of the engine. As calculation examples were chosen the seals in air system of NK-93 engine, in model of GE90 turbine and labyrinth seals from pumping unit 370-14-1

Необходимо заметить, что надежность уплотнения, несмотря на то, что оно задумано как бесконтактное, все же будет зависеть от возможных торцевых контактов кольца 1 и ротора. Такие, хотя и очень кратковременные, контакты возможны вследствие перегрузок, при перемене режимов работы, газодинамических неустойчивостях двигателя, когда возможна пульсации давления в газовом тракте и т. п. Эти контакты не должны приводить к повреждению уплотнения. Поэтому в уплотнении должны быть подобраны контактирующие со скольжением материалы (или покрытия) обладающие хорошими трибологическими характеристиками в условиях работы уплотнения (главными из которых являются температура и скорость скольжения).

Применение данного подхода проектирования уплотнения позволит не только скорректировать его параметры по режимам, но и сделает возможным применения перспективных бесконтактных уплотнений не только в опорах, но и в проточной части АД и ЭУ [2, 3].

Литература

1. Белоусов А.И., Зрелов В.А. Конструкция и проектирование уплотнений вращающихся валов турбомашин двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие. Куйбышев: КуАИ, 1989. 104с.

2. Muller Y. Secondary air system model for integrated thermomechanical analysis of jet engine. Proceedings of ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea And Air. MTU Aero Engines GmbH, 2008. GT2008-50078.

3. Wiseman, M.W., Guo, T. An investignation of life extending control techniques for gas turbine engines. Proceedings of the American Control Conference. Arlington, VA, 2001.

Key words: seal, account, air secondary system