Математическое моделирование и оптимизация лабиринтного уплотнения газотурбинного двигателя с учётом прочностных свойств

Авиационная и ракетно-космическая техника

2022. Т. 29. № 2. С. 107-117.

DOI: 10.34759/vst-2022-2-107-117

Авторы

Андросович И. В.

ПАО «ОАК» – ОКБ Сухого, ул. Поликарпова, д. 23А, а/я 483, Москва, 125284, Россия

e-mail: irishapd-35@mail.ru

Аннотация

Актуальность задачи совершенствования лабиринтных уплотнений обусловлена необходимостью совершенствования турбомашин летательных аппаратов с целью повышения их эффективности. В работе проведен газодинамический и прочностной расчёт работы лабиринтного уплотнения и выполнена оптимизация геометрии лабиринтного уплотнения с учётом прочностных свойств.

Результаты газодинамического расчёта используются в качестве граничных условий для прочностного расчёта. В качестве критерия оптимальности выбран расход воздуха через уплотнение. Проводится сравнение работы уплотнения до и после оптимизации на различных частотах вращения. Продемонстрирована методика оптимизации, которая может быть использована при проектировании лабиринтного уплотнения, для обеспечения минимального расхода воздуха и удовлетворения критериям прочности.

Ключевые слова:

лабиринтное уплотнение, вычислительная газовая динамика, прочностные свойства, оптимизация лабиринтного уплотнения, перепад давления, утечки воздуха

Библиографический список

  1. Tong S.K., Kyu S.C. Comparative analysis of the influence of labyrinth seal configuration on leakage behaviour //Journal of Mechanical Science and Technology. Vol. 23, pp. 2830. DOI: 10.1007/s12206-009-0733-5
  2. Кикоть Н.В., Марчуков Е.Ю. Исследование и разработка метода анализа теплового состояния межроторных роликовых подшипников ГТД // Вестник Московского авиационного института. Т. 16. № 4. С. 32-36.
  3. Vasiliev V.S., Levochkin P.S., Chvanov V.K., Timushev S.F. Proposals for improving the efficiency and durability of the turbines of turbo-pump assemblies in liquid-propellant rocket engines by using double-sided crest-type radial labyrinth seals // 4th International Conference on Mechanical and Aeronautical Engineering ICMAE’2018 (13–16 December 2018, Bangkok, Thailand). Vol. 491: 012018. DOI: 10.1088/1757-899X/491/1/012018
  4. Martin H. Labyrith packings // Engineering. 1908. Vol. 85, pp. 35-36.
  5. Childs Turbomachinery Rotordynamics: Phenomena, Modeling, and Analysis. — Wiley-Interscience, 1993. — 496 p.
  6. Rhode D., Hibbs R. Tooth Thickness Effect on the Performance of Gas Labyrinth Seals // Journal of Tribology. Vol. 114. No. 4, pp. 790–795. DOI: 10.1115/1.2920950
  7. Пейчев Г.И., Кондратюк Э.В., Зиличихис С.Д. и др. Сравнительный анализ щеточного и лабиринтного уплотнений ГТД // Вестник двигателестроения. 2009. № 1. С. 66–70.
  8. Chupp R.E., Hendricks R.C., Lattime S.B., Steinetz B.M. Sealing in Turbomachinery // Journal of Propulsion and Power. Vol. 22. No. 2, pp. 313- 349. DOI: 10.2514/1.17778
  9. Фалалеев С.В. Проблемы и перспективы использования торцовых уплотнений с газовой смазкой в современных ГТД // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Сборник статей. Сер. «Вестник СГАУ» Самара, 2000. С. 91−98.
  10. Антонюк И.А. Лабиринтное уплотнение осевого компрессора газотурбинного двигателя. Патент RU 132852 U Бюл. № 27, 27.09.2013.
  11. Брыкин Б.В., Евдокимов И.Е. Численное моделирование эксперимента по исследованию течения в лабиринтном уплотнении // Труды МАИ. 2012. № 61. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=35499
  12. Москвичев А.В., Заложных И.С. Исследование влияния геометрических размеров лабиринтных уплотнений на величину утечек рабочего тела ТНА ЖРД // Насосы. Турбины. Системы. 2014. № 4(13). С. 66-69.
  13. Зрелов В.А., Комаров О.А., Дмитриев С.Ю. и др. Влияние параметров лабиринтного уплотнения в турбине низкого давления на КПД ступени // Известия Самарского научного центра РАН. 2018. Т. 20. № 4. С. 99-106.
  14. Morrison G., Chi D. Incompressible flow in stepped labyrinth seals // ASME/ACSE Applied Mechanics, Bioengineering and Fluids Engineering Conf. (24-26 June 1985, Albuquerque, New Mexico) ASME Paper-85-FE-4.
  15. Schram V., Willenborg K., Kim S., Wittig S. Influence of a honeycomb facing on the flow through a stepped labyrinth seal // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. Vol. 124. No. 1, pp. 140-146. DOI: 10.1115/1.1403460
  16. Bidkar R., Edip S., Jifeng W. et al. Low-leakage shaft-end seals for utility-scale supercritical CO2 turboexpanders // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. Vol. 139. No. 2: 022503. DOI: 10.1115/1.4034258
  17. Soemarwoto B., Kok J.C., Cock K.M.J. et al. Performance evaluation of gas turbine labyrinth seals using computational fluid dynamics // ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air (14-17 May 2007, Monreal, Canada). 2007. Vol. 4, p 1207-1217. DOI: 10.1115/GT2007-27905
  18. Wang W., Liu Y., Jiang P., Chen H. Numerical analysis of leakage flow through two labyrinth seals // Journal of Hydrodynamics, Ser. B. 2007. Vol. 19. No. 1, pp. 107-112. DOI: 10.1016/s1001-6058(07)60035-3
  19. Vakili A.D., Meganathan A.J., Michaud M.A. and Radhakrishnan S. An experimental and numerical study of labyrinth seal flow // ASME Turbo Expo 2005: Power for Land, Sea and Air (6-9 June 2005; Reno, Nevada, USA). Vol. 3, 1121-1128. DOI: 10.1115/GT2005-68224
  20. Vakili A.D., Meganathan A.J., Ayyalasomayajula et al. Advanced labyrinth seals for steam turbine generators // ASME Turbo Expo 2006: Power for Land, Sea and Air (8-11 May 2006; Barcelona, Spain), pp. 1599-1608. DOI: 10.1115/GT2006-91263
  21. Иванов А.В. Анализ влияния типа бесконтактного уплотнения на характеристики насоса турбонасосного агрегата ракетного двигателя при изменении режима работы // Вестник Московского авиационного института. Т. 28. № 3. С. 33-45. DOI: 10.34759/vst-2021-3-33-45
  22. Пугачев А.О., Равикович Ю.А. Подходы к моделированию щёточных уплотнений турбомашин // Вестник Московского авиационного института. Т. 20. № 4. С. 81-89.
  23. Li Z., Li J., Feng Z. Labyrinth seal rotordynamic characteristics. Part II: Geometrical parameter effects // Journal of Propulsal and Power. 2016. 32. No. 5. DOI: 10.2514/1.B35817
  24. Tyacke J.C., Dai Y., Watson R., Tucker P.G. Design optimisation of labyrinth seals using LES // Mathematical Modelling of Natural Phenomena. Vol. 16. No. 2. DOI: 10.1051/mmnp/2020056
  25. Androsovich I.V., Siluyanova M.V. Optimization of labyrinth seals in gas-turbine engines // Russian Engineering Research. 2021. Vol. 41. No. 4, pp. 360-362. DOI: 3103/S1068798X21040043
  26. Androsovich I., Borovikov D., Siluyanova M. Analysis of the geometric parameters influence on the labyrinth seals performance // 19th International Conference «Aviation and Cosmonautics» AviaSpace-2020 (23-27 November 2020, Moscow, Russia). 1925. DOI: 10.1088/1742-6596/1925/1/012075
  27. Андросович И.В., Силуянова М.В. Математическое моделирование работы лабиринтного уплотнения газотурбинного двигателя и его прочностных свойств // Авиационная промышленность. 2021. № 3-4. С. 36-40.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024