Научный архив: статьи

Цель исследования заключалась в разработке и апробации специализированного программного инструмента для расчета и оптимизации лабиринтных уплотнений газотурбинных двигателей. В работе использован комплексный подход, сочетающий математическое моделирование, методы вычислительной гидродинамики (CFD) и алгоритмы параметрической оптимизации. Материалы и методы исследования включают уравнения гидродинамики и термодинамики, адаптированные для описания течения рабочего тела через систему каналов лабиринтных уплотнений. В расчетах учитывались турбулентность, перепады давления и температурные градиенты. Для верификации результатов использовалось программное обеспечение ANSYS CFX. Результаты показали, что даже незначительное изменение геометрических параметров (зазора, высоты зуба, угла расширения) приводит к существенному изменению характеристик потока. При увеличении высоты зуба с 3 до 7 мм снижается утечка рабочего тела на 12 %, но требуется применение более сложных технологических решений. Программа Genesis 1.3 продемонстрировала возможность эффективной оптимизации уплотнений и интеграции с промышленными CFD-пакетами.

Утечки рабочего тела через зазоры между подвижными и неподвижными элементами газотурбинных двигателей снижают их эффективность на 0,5…1,5 %. Щеточные уплотнения обеспечивают более высокую герметичность, чем традиционные лабиринтные конструкции. Однако проектирование таких уплотнений осложняется непростым характером течения через пористую структуру пакета и влиянием прилегающих полостей на распределение параметров потока. В работе представлена математическая модель течения воздуха в зазорах щеточного уплотнения и примыкающих к нему полостях турбореактивного двухконтурного двигателя. Модель основана на представлении пакета щетинок как анизотропной пористой среды. Численная реализация выполнена методом конечных объемов с использованием k - ε модели турбулентности. Проведен параметрический анализ влияния радиального зазора, толщины пакета, плотности упаковки щетинок и угла их наклона на расход утечки. Установлено, что уменьшение зазора с 0,10 до 0,05 мм снижает расход на 34,6 %, а увеличение плотности упаковки с 500 до 800 шт./мм² - на 42,0 %. Построены распределения давления и скорости вдоль уплотнения, выявлены зоны максимальных градиентов. Показано, что щеточные уплотнения обеспечивают снижение утечек на 30…40 % по сравнению с трехзубцовыми лабиринтными аналогами. Результаты применимы при проектировании уплотнительных узлов авиационных двигателей.