Systems. Methods. Technologies 3 (43) 2019

Systems Methods Technologies. S.P. Eresko et al. Planning experimental … 2019 № 3 (43) p. 7-13 8 ciated with the use of nodes in high-power turbopump units has been identified. In particular, methods for calculating the thermal state of friction pairs as an important element that have an advantageous effect on the performance of the nodes of these units require im- provement. The design of the bench used in testing the seals of a rotating shaft allows to study friction pairs at high peripheral speed and high released power in the friction zone. The selected basic criteria for optimizing the parameters of the seals provide the optimal number of tests during the experiment. The above experimental design methodology is aimed at obtaining experimental data on the study of seal assemblies in different operating modes. This makes it possible to evaluate the materials and the selected design of the sealing pairs, justify the reasons for the failure of the nodes seals, as well as form recommendations for further improvement of design techniques. Keywords : mathematical model; thermal state; sealing unit; turbopump assembly; hermetology; optimization; design technique. В настоящее время процессы, протекающие в узлах уплотнений вращающихся валов турбонасосных агре- гатов (ТНА), изучены достаточно для того, чтобы на стадии проектирования конструктор мог провести ка- чественный анализ поставленной задачи уплотнения, подобрать необходимый вариант конструкции узла и типоразмер. Однако этот факт не отменяет необходи- мость испытаний проектных решений, по результатам которых зачастую приходится менять материал, разме- ры или конструктивное решение [1]. Причиной таких изменений является значительная неполнота сущест- вующих теорий, описывающих процессы в месте кон- такта поверхностей трения. Эта неполнота частично компенсируется обширными эмпирическими данными, которые, однако, не могут дать гарантий эффективно- сти узла уплотнения. Многими исследованиями под- тверждается некоторая спорадичность получаемых результатов [2]. Еще одним фактором, усложняющим выбор решения, является большое разнообразие конст- рукций узлов уплотнений с разной степенью изученно- сти работы при различных условиях. Выход из строя уплотнений стоит на третьем месте среди причин ава- рий газотурбинной техники в США [3; 4]. Сказанное выше подтверждает актуальность дополнительных ис- следований и разработок конструкций и методик про- ектирования узлов уплотнений ТНА. В ТНА применяются различные устройства уплот- нения: плавающие кольца, манжеты, торцевые и лаби- ринтные уплотнения и др., в зависимости от парамет- ров и свойств перекачиваемых сред и скоростей вра- щения вала. В данной работе будет рассмотрен узел уплотнения ТНА, использующий прирабатывающийся элемент в виде плавающего кольца. Анализ параметров исследуемой системы на пред- мет соответствия требованиям показывает, что боль- шинство из них не может быть признано управляемы- ми факторами. Дальнейший отсев факторов основывается на оцен- ке степени влияния на интересующие (в рамках по- ставленных задач) отклики системы и конструктивной целесообразности. В результате на данном этапе исследования в каче- стве управляемых выбраны следующие три фактора: контактное напряжение в зоне трения, теплопровод- ность уплотняющего кольца (материал кольца) и коэф- фициент трения кольца с валом (материалы и покрытия пар трения). Количество уровней варьирования принимаем 2, так как для нашего случая оптимизации зависимость пред- полагается линейной. За отклик системы принимаем температуру упругого элемента как требующее опти- мизации слабое звено данной системы. Поскольку подобные эксперименты фактически не могут быть проведены во всех точках факторного про- странства, его ограничивают интервалом варьирования переменных. В этом случае состояние системы будет определяться фиксированным набором факторов. Выбор интервалов варьирования уровней основан на информа- ции о температурном режиме внешней среды и ограни- чивается параметрами турбонасосных агрегатов. Информацию о свойствах уплотнительного узла при минимуме опытов возможно получить за счет рацио- нального планирования эксперимента. Теория плани- рования эксперимента подробно разработана и широко освещается в многочисленных работах [2]. В табл. 1 собраны основные входные параметры ис- следуемой системы. В строках 8, 9 и 10 указаны регу- лируемые параметры в рамках исследования их влия- ния на температурный режим уплотнения ТНА. В строку 16 занесены выходные данные температуры упругого элемента, рассчитанные с помощью инстру- мента « Steady state thermal analysis » (анализ устано- вившегося теплового режима) пакета ANSYS. Предварительный анализ результатов указывает на то, что значительная часть теплового потока проходит через тарельчатую пружину, которая должна охлаж- даться уплотняемой средой с помощью конвективного теплообмена. Однако при определенных обстоятельствах уплот- няющая способность прирабатывающегося уплотнения может повыситься (за счет импеллерного уплотнения и полной приработки кольца в момент смыкания сегмен- тов) до такого состояния, что потока утечки будет не- достаточно для удержания температуры в пределах, при которых сохраняется функциональность уплотне- ния (в том числе и как дополнительной опоры). В качестве первого переменного фактора, X1, вы- бираем теплопроводность кольца Ϟ( Вт/м∙К ), в качестве второго фактора, Х2, — коэффициент трения μ по валу, в качестве третьего фактора, Х3, — контактное напря- жение ( Па ) P в зоне трения, в качестве отклика Y — температуру упругого элемента (тарельчатой пружи- ны). Определяем шаги и заносим данные уровни варь- ирования факторов в табл. 2.