Разработка методов расчета и компьютерного моделирования торцевых контактных уплотнений многорежимных турбомашин

• Автор: Лежин, Дмитрий Сергеевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 238 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОР РОТОРОВ ДЛА

1.1. Анализ тенденций развития уплотнительных устройств ДЛА

1.2. Анализ теоретических исследований процессов

в уплотнительных устройствах

1.3. Обзор и анализ конструкций ТКУ

1.4. Анализ причин дефектов ТКУ, возникающих во время

эксплуатации ГТД

1.5. Концепция подхода к проектированию ТКУ
1.6. Постановка задач исследования 47 ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМАЦИЙ И ИЗНАШИВАНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ КОЛЕЦ ТОРЦЕВОГО КОНТАКТНОГО УПЛОТНЕНИЯ
2.1. Деформации уплотнительных колец
2.1.1. Влияние силовых факторов на деформации ТКУ
2.1.2. Упрощенный расчет деформаций от силовых факторов
2.1.3. Влияние тепловых факторов на деформации ТКУ
2.1.4. Определение коэффициентов теплоотдачи
2.1.5. Модель уплотнительного устройства для теплового расчета
2.1.6. Расчет поля температур в уплотнительных кольцах
2.1.7. Комплексные методы расчета деформаций
уплотнительных колец
2.2. Изнашивание уплотнительных колец
2.2.1. Проблема изнашивания в контактных уплотнениях ГТД
2.2.2. Взаимодействие уплотнительных колец
в трибологической системе
2.2.3. Этапы инженерного расчета износа сопряжений
2.2.4. Алгоритм расчета износа уплотнительных колец
2.2.5. Расчет интенсивности изнашивания
Выводы

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТКУ С УЧЕТОМ ДЕФОРМАЦИЙ И ИЗНАШИВАНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗЛ. Изменение характеристик ТКУ со сложной формой зазора при моделировании изнашивания уплотнительной поверхности
3.2. Определение термодинамических свойств рабочего тела
3.3. Определение величины зазора между уплотнительными кольцами
3.4. Определение мощности трения
3.5. Определение гидродинамических характеристик ТКУ
3.6. Определение утечек в уплотнительных устройствах
3.7. Экспериментальное исследование влияния формы зазора
на расходные характеристики ТКУ
3.8. Расчетный и экспериментальный анализ силовых характеристик контактного уплотнения ГТД НК
Выводы
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТКУ
МНОГОРЕЖИМНОЙ ТУРБОМАШИНЫ
4.1. Концепция совместного моделирования деформаций и изнашивания уплотнительных поверхностей в условиях многорежимности
4.2. Исследование характеристик РТКУ с использованием модели работы торцевого контакта
4.3. Геометрическая модель ТКУ
4.4. Управление временными параметрами при моделировании работы ТКУ
4.5. Блок-схема вычислительного комплекса по моделированию работы ТКУ
4.6. Моделируемый стенд для испытания ТКУ на жидком азоте
4.7. Моделирование работы торцевого контактного уплотнения
ТНА ГТД НК-88
4.8. Возможности совместного использования
виртуального и реального стендов на этапе проектирования
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Природа создала много прекрасного и совершенного, но не нашла применения колесу. Не существует живых существ, имеющих вращающийся ротор. Биологическая эволюция, которая производила всевозможные сложнейшие системы, не смогла, в рамках своих разнообразных принципов построения, решить проблему скользящего уплотнения. Человек впервые изобрел колесо и с помощью его создал многообразную технику вращающихся машин. Однако он не избавился от горькой действительности, что сногсшибательные идеи могут быть сдуты суровым ветром проблемы уплотнений. Полная герметичность часто остается невыполнимым желанием не только из-за основополагающих физических проблем, но также и из-за требуемой экономичности решения. Компромиссы являются необходимыми, и всегда неизбежный расход уплотняемой среды при эксплуатации машин является явным доказательством этого. Очень часто неплотности остаются подчас почти незамеченными, если утечки, например подающих воду насосов, испаряются непосредственно в зоне уплотнительных мест. В некоторых случаях незначительные утечки требуют больших затрат для постоянного отвода. Из-за разнообразия условий эксплуатации и требований к герметичности образуются многочисленные уплотнительные системы в различных областях машиностроения, базирующиеся в основном на радиальных и торцовых уплотнениях. Уплотнительные устройства (уплотнения) применяют в подвижных и неподвижных соединениях конструкций для разделения сред с различными физическими свойствами и (или) параметрами.
Условия их эксплуатации весьма разнообразны, поскольку трудно назвать область техники, в которой не возникала бы проблема герметизации. Часто именно уплотнения определяют качественные показатели машин, а также допустимые районы их применения. Неверный выбор уплотнения или их низкое качество и неправильная эксплуатация могут привести к отклонениям показателей работы машин, снижению их надежности, большим экономическим потерям. Аварийные отказы уплотнений могут быть причиной крупных техногенных катастроф.
В 1895-1900 годах были изобретены торцевые уплотнения, которые начали применять в холодильных компрессорах, центробежных насосах и других машинах лишь в 20-х годах.

8. Аксиально-подвижная втулка уплотнения должна центрироваться по штифтам и иметь увеличенную поверхность контакта со штифтами с целью устранения износа центрирующих отверстий.
9. Для получения равномерного давления в контакте по поверхности необходимо при изготовлении обеспечить соблюдение допусков на отклонения формы и качество уплотняющих поверхностей. При этом должны быть оговорены предельные отклонения следующих геометрических поверхностей (для примера приведены средние значения предельных отклонений, полученные работниками СНТК им. Н.Д.Кузнецова на основании многолетнего опыта):
-непаралдельность рабочих поверхностей не более 0.05 - 0.06 мм;
-биение вала относительно статора не более 0.2 мм;
-осевое перемещение втулки не более 4 мм;
-средняя высота неровностей при обработке торцевых поверхностей Яа = 0.16 мкм;
-неплоскостность уплотнительных поверхностей 0.5 -1 мкм.
1.4. АНАЛИЗ ПРИЧИН ДЕФЕКТОВ ТКУ,
ВОЗНИКАЮЩИХ ВО ВРЕМЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГТД
Выявление физических процессов и факторов, оказывающих наибольшее влияние на работу уплотнительного узла, и соответственно, требующих обязательного учета при проектировании уплотнения, удобно вести на основании анализа материалов отчетов, составленных по результатам исследований уплотнительных узлов, снятых из эксплуатации по причине возникновения в них каких либо дефектов. Эту работу целесообразно проводить в комплексе с анализом развития конструкции, т.к. устранение дефектов уплотнений, являющихся следствием действия каких - либо факторов и проявляющихся в ходе опытной и серийной эксплуатации изделий, может приводить к изменению конструкции. В связи с этим, в данном разделе факторы, оказывающие влияние на работу уплотнения, получены на основании анализа и обобщения материалов, накопленных за многолетнюю работу предприятиями АО СНТК им. Н.Д.Кузнецова и СКБМ по анализу и устранению дефектов уплотнительных узлов изделий, описанных в предыдущей главе.