Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 11

В первой части главы опи-541.7. Структура исследованиясываются численные методы для решения уравнений математическихмоделей, приведённых в главах 3 и 4. Представлены алгоритм и методология проведения вычислительного эксперимента. Рассмотрен процесспостроения моделей и выполнения расчётов с использованием различных программ. Вторая часть главы посвящена экспериментальным исследованиям. Описаны экспериментальные стенды, используемые дляизучения расходных и динамических характеристик уплотнений. Приведены методики проведения экспериментов.Шестая глава содержит результаты по характеристикам различных лабиринтных и щёточных уплотнений, полученные в рамках данной работы. Приведён подробный сравнительный анализ данных экспериментальных и теоретических исследований.

Показаны распределениядавлений, расход, динамические коэффициенты жёсткости и демпфирования, а также другие результаты. При анализе использовались такжеэкспериментальные данные, взятые из литературы.Заключительная, седьмая, глава посвящена обобщению полученных данных по характеристикам уплотнений. Описывается упрощённаяметодика оценки расхода через щёточное уплотнение. Приводятся результаты по применению разработанной методики для различных щёточных уплотнений, взятых из доступных источников. Анализируютсявопросы использования щёточных уплотнений в авиационных двигателях. Формулируются рекомендации по применению щёточных уплотнений в турбомашинах.

В главе также приведено описание нового экспериментального стенда, разработанного на кафедре «Конструкция ипроектирование двигателей» МАИ, для тестирования щёточных уплотнений.В заключении кратко подводится общий итог диссертационногоисследования.В приложениях сведены: элементарные матрицы балочного элемента, входные файлы с роторной системой ТВД для программ MRACEи RACE, файлы для создания геометрии уплотнительного узла SSB-1 вICEM CFD, файлы для автоматизированного расчёта щёточного уплотнения в OpenFOAM.55Глава 2Конструкции и принципыфункционирования уплотненийтурбомашинВ главе приводится классификация уплотнительных узлов,применяемых в турбомашиностроении, описаны принципыработы, отмечены преимущества и недостатки отдельныхтипов.

Подробно рассмотрены щёточные уплотнения, проведён анализ основных эффектов, возникающих в процессе эксплуатации. Обобщён опыт использования щёточныхуплотнений в авиационных двигателях. В конце главы представлены конструкции уплотнительных узлов, исследованных в рамках данной работы.2.1. Классификация уплотнений турбомашинТермин «уплотнительная техника» включает в себя многообразиеустройств.

Это затрудняет составление стандартизованной классификации уплотнений в компактной форме. Классификации уплотнений могут быть найдены в [12; 16; 17; 24; 36; 62]. Основные типы уплотнений,применяемые в двигателях летательных аппаратов, освещаются в [47].Следуя наиболее общей классификации, уплотнения можно разделить на: 1) уплотнения неподвижных соединений и 2) уплотнения подвижных соединений, сопряжённые поверхности которых совершаютвозвратно-поступательное или вращательное движение. В зависимостиот среды уплотнения делятся на жидкостные, газовые и газожидкостные.

Примером газожидкостных уплотнений служат уплотнения узловподшипников, работающие в условиях воздушно-масляной среды.Укрупненная классификация уплотнений показана на рис. 2.1. Вторая классификация, в которой более подробно рассмотрены типы, представляющие интерес в рамках данной работы, приведена ниже.562.1. Классификация уплотненийЭластомерныеГермопередачиСальниковыеМеханическиеДиафрагмыСтатическиеКонтактныеРазделительныеУплотненияБесконтактныеПодатливыеГидродинам.ЩелевыеЩёточныеВинтоканавочныеПлёночные торцовыеЛабиринтныеРис.

2.1. Укрупнённая классификация уплотненийВ качестве основных типов в укрупнённой классификации выделены контактные и бесконтактные уплотнения, а также уплотнения с податливыми (упругими) элементами. Статические, гидродинамические иразделительные уплотнения дополняют используемую классификацию.Важным классом уплотнений являются статические уплотнения,используемые для герметизации неподвижных соединений, например, вкамерах сгорания, в системе подачи топлива, в стыках различных элементов статора.Разделительные уплотнения и устройства нашли широкое применение в подвижных соединениях, совершающих возвратно-поступательные движения, а также в специальных приложениях, в которых требуется высшая степень герметичности.

К специальным приложениямможно также отнести магнитожидкостные уплотнения [229].К классу контактных уплотнений подвижных соединений в даннойработе относятся уплотнения, рабочие поверхности которых находятсяв постоянном контакте на любом рабочем режиме. Уплотнения, рабочиеэлементы которых образуют (или могут образовывать) незамкнутую зону контакта, например, щёточные уплотнения, относятся в приведённой572.1.

Классификация уплотненийклассификации к уплотнениям с податливыми элементами.Из-за отсутствия номинального (монтажного) зазора контактныеуплотнения характеризуются минимальными утечками. Основным параметром, ограничивающим использование контактных уплотнений вподвижных соединениях, является относительная скорость сопряжённых поверхностей. Высокие скорости вращения приводят к повышенным потерям на трение, некомпенсируемому износу уплотнения, а также к дополнительному выделению тепла.

Все эти явления приводят кувеличению утечек и могут негативно влиять на ресурс уплотнения.К важным типам контактных уплотнений подвижных элементовотносятся торцовые уплотнения валов (осевые механические уплотнения), манжетные и сальниковые уплотнения (осевые и радиальные эластомерные уплотнения).Принцип работы торцовых уплотнений сводится к механическомуконтакту между притёртыми сопряжёнными поверхностями. Рабочиеповерхности торцовых уплотнений могут представлять собой как специальные вставки (шайбы), так и являться непосредственно элементамисопрягаемых деталей. В торцовых уплотнениях износ рабочих поверхностей компенсируется механическим элементом, например, пружиной.Пружинные элементы также применяются в радиальных бесконтактных и контактных уплотнениях.

Например, в [23] описан анализсегментных уплотнений с браслетными и осевыми пружинами.Перспективным направления развития торцовых уплотнений являются торцовые газодинамические уплотнения (ТГДУ), конструкции которых позволяют формироваться тонкой газовой плёнке, предотвращающей непосредственный механический контакт рабочих поверхностейво время работы (см. [8; 10; 61; 64]).Сопряжённые поверхности торцовых уплотнений выполняются изтвердых антифрикционных материалов и должны отвечать жёсткимтребованиям по гладкости и отклонениям от формы. Данные факторымогут приводить к значительной стоимости изготовления таких уплотнений.

Шайбы торцовых уплотнений выполняются из металла или графита. Используются специальные покрытия (например, карбид вольфрама). По сравнению с другими типами контактных уплотнений тор582.1. Классификация уплотненийцовые уплотнения могут применяться в более широких диапазонах рабочих скоростей, давлений и температур, имеют более длительный срокслужбы.В эластомерных уплотнениях одна из сопряжённых поверхностейпринадлежит упругому элементу, выполненному из высокоэластичного материала. Вследствие этого ко второй сопряжённой поверхности непредъявляются такие высокие требования по обработке как в случаеторцовых уплотнений.

Эластомерные уплотнения являются дешёвымив изготовлении и демонстрируют высокую герметичность, но могут использоваться в довольно ограниченном диапазоне рабочих условий (перепад давления, окружная скорость, диаметр вала).Эластичные кольца в уплотнительных узлах устанавливаются с натягом для обеспечения необходимого предварительного давления между сопряжёнными поверхностями.

Определение рациональной величины натяга является одной из главных задач при проектировании эластомерных уплотнений. Малый натяг приведёт к повышенным утечкам.С другой стороны, слишком большой натяг может привести к повышенному истиранию, выделению тепла и, в итоге, к преждевременному выходу уплотнения из строя. Дополнительный натяг в манжетных уплотнениях обеспечивается за счёт уплотняемой среды в зоне высокого давления. Данный эффект достигается конструктивным исполнением.Эластомерные уплотнения выполняются различной формы: с круглым, прямоугольным, крестообразным, V-, Γ-, T-образным сечением.Манжетные уплотнения могут иметь более сложную геометрию. Эластомерные уплотнения изготавливаются из резины, ткани, кожи, полимерных и других материалов.

Также используются металлические манжеты. По аналогии с торцовым уплотнениями сальниковые и манжетные уплотнения могут устанавливаться совместно с пружиной, котораяподжимает набивку уплотнения.К контактным уплотнениям также можно отнести уплотнения с подвижными кольцами. Очень малый зазор между кольцом и валом обеспечивает малые утечки. Зазоры кольца с элементами статора позволяютрабочему элементу свободно перемещаться в радиальном и осевом направлениях.

При возникновении перепада давления кольцо прижимает592.1. Классификация уплотненийся к торцу элемента статора, обеспечивая необходимую герметизацию.Уплотнения с плавающими кольцами могут использоваться в качествеконцевых уплотнений.Работа гидродинамических уплотнений зависит от скорости вращения ротора. Сопряжённые поверхности гидродинамических уплотненийвыполняются с канавками или образуют специальные каналы (спиральные и импеллерные уплотнения, вихревые уплотнения, центробежныеуплотнения, гидравлический затвор).

За счёт высокой скорости вращения в тракты гидродинамических уплотнений засасывается уплотняемая среда и создаётся противодавление, позволяющее уменьшить утечки среды из зоны высокого давления.ТГДУ, указанные выше, и другие плёночные торцовые уплотне1ния , в которых в условиях высоких скоростей вращения вала сопряжённые поверхности могут разделяться тонким слоем уплотняемой среды, можно также отнести в категорию гидродинамических уплотнений.Вторая классификация уплотнений турбомашин, в которой болееподробно рассмотрены бесконтактные уплотнения и уплотнения с податливыми элементами, приведена на рис.