Исследование характеристик торцевого газодинамического уплотнения опоры авиационного двигателя с учетом деформации колец пары трения

фитового кольца 3, роторного кольца 4. Кольца соединены между собой набором пружин 5, обладающих жесткостью и демпфированием.

При изменении режима работы двигателя меняется частота вращения ротора. От ее величины зависят давление и температура в сечениях двигателя – главные факторы, влияющие на работу уплотнения. На рис. 2 приведено значение утечек через зазор уплотнения в зависимости от частоты вращения при одном неизменном параметре. Расчет произведен в программе TORZS, разработанной на кафедре конструкции и проектирования двигателей летательных аппаратов СГАУ им. академика С.П. Королева [4].

Расход утечек, через уплотнение определен по формуле:

2 я Г

m =

¹ f            AX ^dP I

— j prh (r, ф)— । r ^ аф 12д J0 L            dr _ 1

.

Анализ рис. 2 показал, что изменение давления и температуры уплотняемой среды оказывает противоречивое влияние на величину утечек через зазор уплотнения: при повышении давления уплотняемой среды величина утечек повышается, при повышении температуры уплотняемой среды величина утечек снижается. Увеличение частоты вращения ротора приводит к росту, как давления, так и температуры уплотняемой

Рис. 1. Расчетная модель торцевого газодинамического уплотнения

Таблица 1. Основные эксплуатационные режимы двигателя с форсажной камерой

Режим работы	nНД , %	nВД , %	R , кгс	Суд , кг/кгсч	G B , кг/с
полный форсированный	99 1 2	100^ ’5	12500	< 1,92 ± 0,04	121 1 2
минимальный форсированный	99 1 2	100 1 1’5	< 8450	< 0,93 + 0,02	121 1 2
максимальный	99 1 2	100^ ’5	7770 ± 2%	< 0,75 ± 0,02	121 1 1
крейсерский	-	85-90	3300-4200	< 0,67 ± 0,02	-
малый газ	-	70±2	< 250	-	-

Рис. 2. Влияние значения давления и температуры уплотняемой среды на величину утечек

среды. Что свидетельствует о необходимости анализировать совместное влияние этих факторов.

В процессе работы, под действием давления, уплотнительное графитовое кольцо деформируется, что приводит к изменению величины утечек через зазор. Для учета данного виляния был проведен цикл итерационных расчетов с совместным использованием программ TORZS и конечно-элементного комплекса ANSYS. Алгоритм расчета представлен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм расчета величины утечек с учетом деформаций графитового кольца

Геометрически деформированное состоянии, определенное в программе TORZS, характеризуется (рис. 4): величиной начального зазора h ₀ , значением минимального зазора h _min , величиной конусности A h .

В программе TORZS был произведен расчет уплотнения при нулевой конусности. Полученная эпюра давления была передана в конечноэлементный комплекс ANSYS. Итерационным расчетом было достигнуто такое значение конусности в программе TORZS, которая совпадает с рассчитанным значением в ANSYS.

Каждый из режимов работы двигателя характеризуется значением частотой вращения рото-

Рис. 4. Геометрия деформированного уплотнения ра, величиной давления и температуры в проточной части.

Рассчитанные в зависимости от частоты вращения ротора, характеристики уплотнения представлены на рис. 5 а-г. На рис. 5 д, е представлена эпюра давления в зазоре уплотнения, построен- ная в зависимости от относительной высоты уплотнения.

Анализ полученных данных показал, что при расчете характеристик торцевого газодинамического уплотнения, необходимо учитывать деформации графитового кольца [3]. Отклонение зна-

Ль, мкм

С, Н/мкм

4.5

1.5

а)

б)

3 000

2 000

9000      10000     11000     12000

п, об/мин

9000     10000

в)

12000 п, об/мин

Р*, кПа

Р*, Па

--безучета деформаций

--с учетом деформаций

г)

Максимальный

Крейсерский

1 X

4 ОС

О

^мяльный

Крейсерский

Малый газ

д)

0,5

е)

1 X

Рис. 5. Зависимость от частоты вращения ротора:

а – величины утечек через зазор; б – величины минимального зазора; в – величины конусности; г – жесткости воздушного слоя между роторным и графитовым кольцом; д – эпюра давления в зазоре без учета деформаций; е – эпюра давлений в зазоре с учетом деформаций чения рассчитанного без учета деформаций от значения, рассчитанного с учетом деформаций составляет: для величины утечек от 250 до 300%, для величины минимального зазора от 160 до 230%, для жесткости газового слоя в зазоре от 130 до 310%. Данные приведены в диапазоне частот вращения ротора от 7000 до 12000 об/мин.

При учете деформаций существенно меняется эпюра распределения давления в зазоре, что приводит к качественному и количественному изменению характеристик уплотнения.

По проделанной работе можно сделать следующие выводы:

• 1.    При изменение режима от малого газа до максимального величина утечек изменяется на 283%, жесткость меняется на 20%. Таким образом, изменение параметров уплотнения может оказать существенное влияние на работу двигателя при переходах с режима на режим.

• 2.    Учет деформаций качественно и количественно влияет на рассчитанные характеристики торцевого газодинамического уплотнения. Например, значения рассчитанного без учета деформаций от значения, рассчитанного с учетом деформаций составляет: для величины утечек от 250 до 300%, для жесткости газового слоя в зазоре от 130 до 310% при изменении режима от малого газа до максимального. Таким образом, при расчете величины утечек через уплотнение, необходимо учитывать деформации графитового кольца.

• 3.    Существенное изменение жесткости газового слоя (на 210%, без учета деформаций) будет влиять на амплитудно-частотную характеристику уплотнения. Количественно оценить это влияние можно с помощью методики связанного расчета с использованием программных комплексов TORZS, ANSYS, ADAMS. Алгоритм такой методики представлен на рис. 6.

Расчет по разработанному алгоритму сделает возможными исследования нестационарных трехмерных деформаций уплотнительных колец

Рис. 6. Алгорит динамического расчета характеристик уплотнения и расчет уточненных характеристик уплотнения: жесткости смазочного слоя, изгибающего момента и минимального зазора для всей номенклатуры применяющихся режимов.