Проектирование и расчет масляно-воздушных лабиринтных уплотнений в условиях максимально приближенных к рабочим.
АО «ОДК–Климов» — ведущий российский разработчик авиационных двигателей. Постоянное совершенствование двигателей летательных аппаратов диктует тенденцию к снижению расходов отбора воздуха на охлаждение деталей и применения различных видов уплотнений масляных полостей. В связи с экстремальными режимами работы уплотнений в авиационных двигателях (таких как высокие обороты, температура, давление) наибольшее распространение получили лабиринтные уплотнения.
Лабиринтные уплотнения представляют собой бесконтактное уплотнение в виде малого зазора сложной извилистой формы, по принципу работы основывающееся на чередовании узких щелей и смежный полостей большого объема. Основными показателем эффективности уплотнений является величина зазора между элементами роторной и статорной части в уплотнении, которая определяется тепловым расширением деталей и перемещениями в следствии дисбаланса и резонансных эффектов при работе газотурбинного двигателя (ГТД) на различных режимах.
Перед «Саровским Инженерным Центром» поставлена задача оптимизации конфигурации лабиринтных уплотнений и исследование влияния геометрических параметров лабиринтов на распределение воздушных потоков при различных режимах эксплуатации двигателя.
Решение
Одномерная гидравлическая модель для расчета вторичных воздушных потоков воздуха в ГТД разработана и реализована в программном комплексе для моделирования и анализа механики жидкости FloMASTER. Моделируется установившийся режим течения сжимаемого воздуха без масляной системы. Расчеты проводятся в изотермической постановке с учетом закрутки потока и центробежных сил, действующих на поток (Secondary Air Analysis Enabled), а также потерь воздушного потока при изменении направления его течения (Impingement Loss Calculation Enabled).
Выполнено трехмерное моделирование полостей и элементов ГТД, имеющих сложную структуру течения воздушных потоков в пакете вычислительной гидродинамики STAR-CCM+:
- Моделирование подшипников качения в трехмерной постановке. Предоставленные заказчиком CAD модели подшипников импортированы в STAR-CCM+. Ввиду симметрии расчетная область представляет собой сектор, включающий одно тело качения. Закрутка потока на входной границе осуществлена с помощью Local Reference Frame. Расчеты проведены в изотермической постановке.
- Моделирование течения воздуха в полости за центробежным компрессором (ЦБК). Используя периодичность CAD-геометрии полости за ЦБК, построена расчетная область, представляющая собой сектор с углом 72 градуса, что позволяет существенно сократить размерность модели. Закрутка потока учтена путем помещения входной границы во вращающуюся систему координат и заданием угла потока на входной границе к ее поверхности. Расчеты проводятся в двух постановках: с адиабатическими и изотермическими стенками ротора и статора.
- Моделирование течения воздуха в полости за свободной турбиной (СТ). Исходная CAD-модель дополнена областью, моделирующей проточный тракт и дополнительным регионом, моделирующим выход потока из сопла в атмосферу. Закрутка потока на входной границе, моделирующей течение в проточной части, осуществлена с помощью Local Reference Frame.
Применяется алгоритм сопряженного (для 1,2) или разделенного (для 3) стационарного решателя осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье Стокса, замкнутых двухпараметрической моделью турбулентности k-ε. Рабочая среда – сжимаемая жидкость (воздух – идеальный газ).
Результат
Для решения задач использовались рабочие станции и кластерные вычислительные ресурсы «Саровского Инженерного Центра».
Разработана одномерная гидравлическая модель расчета вторичных воздушных потоков двигателя ГТД-500В. Выполнен расчет лабиринтных уплотнений на всех режимах работы двигателя. Получены распределения параметров потоков (давление, температура, скорость, массовый расход воздуха) в воздушной системе двигателя. Представлены результаты для двух конфигураций воздушной системы: с номинальными и с увеличенными зазорами в лабиринтных уплотнениях. Для оценки эффективности лабиринтных уплотнений проведено дополнительное исследование, в рамках которого варьировалось количество зубьев в лабиринтных уплотнениях. Полученные результаты подтверждают обеспечение подпора давления лабиринтных уплотнений как для номинальных зазоров в уплотнениях, так и для увеличенных зазоров в предлагаемой конструкции воздушной системы ГТД. Определены зоны превышения скорости звука воздушными потоками. Предложены варианты оптимизации воздушной системы за счет увеличения количества зубьев в некоторых уплотнениях, а также снижения расхода воздуха через датчики оборотов (например, установка суфлера).
Дополнительно проведено трехмерное моделирование элементов и полостей ГТД, имеющих существенную трехмерную структуру течения воздушных потоков (подшипники ЦБК, турбины компрессора и СТ, полости за ЦБК и СТ):
- Подготовлена трехмерная расчетная модель для подшипников. Для каждого их них определена величина гидравлических потерь в зависимости от расхода проходящего через них воздуха, а также с учетом закрутки потока воздуха на входе в подшипник. В общей сложности выполнено 90 расчетов.
- Разработана расчетная модель течения воздуха в полости за ЦБК, которая включает в себя области проточного тракта на входе и выходе из нее. Выполнено два основных расчета в адиабатической и изотермической постановках. При адиабатических стенках ротора/статора, затекание горячих газов в полость не происходит. При задании постоянной температуры на стенках происходит затекание горячих газов в междисковое пространство.
- Представлена расчетная модель для полости за СТ. Определены величины гидравлических потерь и коэффициента теплоотдачи в зависимости от расхода воздуха через датчики частоты. В общей сложности выполнено 7 расчетов. Показано, что перепад давления принимает отрицательные значения при заданных расходах воздуха через полость. Полученные значения коэффициентов теплоотдачи почти не зависят от расхода охлаждающего воздуха через датчики частоты.
По результатам всех трехмерных расчетов определены параметры, позволяющие уточнить описание течения в одномерной гидравлической модели. Проведенный анализ позволил выявить недостатки представленной конструкции и предоставить рекомендации для уточнения разработанной модели:
- Учесть теплообмен воздуха с деталями ГТД.
- Разработать связь между гидравлической и термомеханическими моделями для расчета теплового состояния ГТД по полетному циклу и определения зазоров внутри двигателя.