Расчетное моделирование испытаний щеточных уплотнений

Автор: Бондарь В.С., Родин Е.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 1, 2022 года.

Бесплатный доступ

Приведены результаты численного анализа деформирования пакета проволоки щеточного уплотнения в динамической системе «ротор - статор газотурбинного двигателя». Расчетное определение силы реакции щеточного пакета основано на решении контактной задачи взаимодействия щетинок между собой, с ротором и с задней пластиной корпуса уплотнения с учетом действия распределенной силы давления газового потока. Выполнено сравнение полученных результатов с данными известных расчетных и экспериментальных исследований. По результатам расчетов отмечено, что учет пространственного контактного взаимодействия элементов щеточного уплотнения значительно влияет на величину и характер изменения силы реакции щеточного пакета и, соответственно, на его жесткость. При наличии перепада давления газа на уплотнении результаты расчетов по упрощенной полуаналитической модели, основанной на анализе прогиба одной щетинки по модели плоского изгиба консольной прямолинейной балки, и пространственной модели отличаются на порядок. Необходимо учитывать этот эффект при расчете износа щеточного уплотнения и прогнозе его эффективности с течением наработки. Характерной особенностью зависимости силы реакции щеточного пакета от величины смещения ротора является наличие гистерезиса в цикле «нагрузка - разгрузка» из-за трения в системе. Воздействие потока газа на щетинки значительно увеличивает размах петли гистерезиса и меняет ее форму. На размах петли также сильно влияет коэффициент трения пары «щетинки - ротор». Полученные зависимости силы реакции щеточного пакета от величины натяга/смещения ротора (петли гистерезиса) позволяют уточнить расчетную математическую модель щеточного уплотнения после проведения испытаний на стенде.

Еще

Уплотнение, щеточное уплотнение, газотурбинный двигатель, математическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, контактное взаимодействие, гистерезис, газовой поток, упругость, давление

Короткий адрес: https://sciup.org/146282432

IDR: 146282432

Список литературы Расчетное моделирование испытаний щеточных уплотнений

Темис Ю.М., Селиванов А.В. Перспективные уплотнения для газотурбинных двигателей // Авиационные двигатели. – 2021. – № 2 (11). – С. 43–60.
Темис Ю.М., Селиванов А.В. Системы управления радиальными зазорами и уплотнительные устройства // Машиностроение: энциклопедия. Разд. IV. Расчет и конструирование машин. Т. IV-21. Самолёты и вертолёты. Кн. 3. Авиационные двигатели / ред.-сост. В.А. Скибин, Ю.М. Темис, В.А. Сосунов. – М.: Машиностроение, 2010. – § 2.8.5. – С. 317 – 330.
King D., Inderwildi O., Carey C. Sealing technologies – signed, sealed and delivering emissions savings // Aviation and the Environment. – 2009. – № 4. – P. 44–48.
Brush seals: World class sealing technology [Электронный ресурс] / MTU Aero Engines. 11 p. – URL: https://www.mtu.de/fileadmin/EN/7_News_Media/2_Media/Brochures/Technology/Brush_seals.pdf (дата обращения: 03.02.2021).
Cross Manufacturing Company. Brochures & data sheets [Электронный ресурс] // Precision sealing solutions: site. Section “Quality & documentation”. – URL: http://www.crossmanufacturing.com/brochures_datasheets.html (дата обращения: 03.02.2021).
Фалалеев С.В., Зрелов В.В. Математическая модель щеточного уплотнения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2009. – Т. 11, № 3. – С. 192–196.
Пугачев А.О. Подходы к упрощенному расчету расхода щеточных уплотнений // Вестник Московского авиационного института. – 2015. – Т. 22, № 2. – С. 85–93.
Пугачев А.О. Щеточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей: дис. … д-ра техн. наук. – М., 2016. – 498 с.
Родин Е.В., Селиванов А.В. Модель контактного щеточного уплотнения // Насосы. Турбины. Системы. – 2020. – № 2 (35). – С. 76–84.
Струков А.А., Голубкин В.С., Горячев А.В. Исследования высокоэффективных уплотнений с упругими элементами для перспективных ГТД // Международный форум двигателе-строения. Научно-технический конгресс по двигателестроению: тезисы статей: НТКД-2016: 19–21 апреля 2016 года. – М., 2016. – С. 277–280.
Kirk T., Bowsher A., Crudgington P. High temperature brush seal development // Proc. ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. – Charlotte, 2017. – Paper GT2017-63091. – 6 p.
Brush Seal Hysteresis / P. Crudgington, A. Bowsher, T. Kirk, J. Walia // Proc. 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. – Georgia, 2012. – Paper AIAA 2012-4003. – 10 p.
Темис Ю.М., Селиванов А.В., Дзева И.Ю. Комплексный анализ перспективных уплотнительных систем // Новые технологические процессы и надежность ГТД. Вып. 9: Подшипники и уплотнения: научно-технический сборник статей под ред. Ю.А. Ножницкого и Н.И. Петрова. – М.: ЦИАМ, 2013. – С. 179–203.
Demiroglu M., Gursoy M., Tichy J.A. An investigation of tip force characteristics of brush seals // Proc. ASME Turbo Expo. Montreal. – Canada, 2007. – Paper GT2007-28042. – 12 p.
Crudgington P., Bowsher A. Brush Seal Pack Hysteresis // Proc. 38th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit.Indianapolis. – 2002. – Paper AIAA 2002-3794. – 8 p.
Crudgington P., Bowsher A. Brush Seal Blow Down // Proc. 39th AIAA/ASME/SEA/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. – Huntsville, 2003. – Paper AIAA 2003-4697. – 8 p.
Bristle Angle Effects on Brush Seal Contact Pressures / P. Crudgington, A. Bowsher, L. Daniel, J. Walia // Proc. 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit Denver. – 2009. – Paper AIAA 2009-5168. – 10 p.
Aksit M.F. and Tichy J.A. A Computational Model of Brush Seal Bristle Deflection // Proc. 32nd AIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit.Indianapolis. – 1996. – Paper AIAA 96-2909.
Aksit M.F. Analysis of brush seal bristle stresses with pressure- friction coupling // Proc. ASME Turbo Expo. – Atlanta, 2003. – Paper GT2003-38718. – 9 p.
Aksit M.F. 3-D Analysis of high-density brush stiffness with friction-pressure coupling // Proc. SIMULIA Abaqus Users’ Meeting. – Istanbul, 2008. – 6 p.
Prior R., Short J., Basu P. Brush seal wear model // Proc. 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. – Cleveland, Ohio, USA, 1998. Paper AIAA 98-3170. – 6 p.
Chew J.W., Lapworth B.L., Millener P.J. Mathematical modeling of brush seals // International Journal of Heat Fluid Flow. – 1995. – Vol. 16, № 6. – P. 493–500.
Chew J.W., Hogg S.I. Porosity Modeling of brush seals // ASME Journal of Tribology. – 1997. – Vol. 119. – P. 769–775.
Effects of bristle lay angle, bristle diameter and length on the hysteresis characteristics of brush seals / J. Li, C. Chen, B. Qiu, Z. Feng // Paper ISABE-2011-1833. – 7 p.
Fellenstein J.A., DellaCorte C. A new tribological test for candidate brush seal materials evaluation // NASA Technical Memorandum. 1995. NASA/TM-106753. – 15 p.
Pugachev A.O. Predicted performance of brush seals: porous medium versus resolved bristle matrix and comparison with experimental data // Proc. 10th European Conference on Turbomachinery: Fluid Dynamics and Thermodynamics (ETC-2013). – Lappeenranta, Finland, 2013. Paper A054. – 11 p.
Chen L.H., Wood P.E., Jones T.V., Chew J.W. Detailed experimental studies of flow in large scale brush seal model and a comparison with CFD predictions // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2000. – Vol. 122. – P. 672–679.
Темис Ю.М., Селиванов А.В., Дзева И.Ю. Математическая модель комбинированного щеточного уплотнения // Машиностроение и инженерное образование. – 2015. – № 4 (45). – С. 50–61.
San Andres L., Baker J., Delgado A. Measurements of leakage and power loss in a hybrid brush seal // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2009. – Vol. 131, iss. 1. – Art. 012505. – 6 p.
Justak J.F., Crudgington P.F. Evaluation of a film riding hybrid seal // 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 9–12 July 2006. – Sacramento, California: AIAA 2006-4932, 2006. – 9 p.

Еще

Статья научная