Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 12

2.2.При проектировании бесконтактных уплотнений конструктивно закладывается номинальный зазор между сопряжёнными поверхностями. На всех режимах работы сопряжённые поверхности бесконтактныхуплотнений сохраняют небольшой зазор. Этим обуславливается главное преимущество бесконтактных уплотнений, заключающееся в отсутствии износа при штатных условиях эксплуатации. Поэтому различныеконструкции бесконтактных уплотнений нашли широкое применение ввысокоскоростных агрегатах.К базовым типам бесконтактных уплотнений в классификации, показанной на рис. 2.2, отнесены щелевые, лабиринтные (лабиринтовые,гребешковые) и демпферные уплотнения.В бесконтактных уплотнениях дросселирование потока происходитв первую очередь вследствие возникновения местных потерь на трение.Такие уплотнения (щелевые, лабиринтные) также иногда называют ста1Film-riding face seal602.1. Классификация уплотненийУплотненияЩелевыеЛабиринтныеПодатливыеЦилиндрическиеПростой лабиринтЩёточныеКонфузор.

/диффузорныеПолныйПальчиковые /лепестковыеСтупенчатыйЛистовыеПрофилированныеПлавающие кольцаКонфузор. /диффузорныйПлёночныеДемпферныеУплотнения сабразивнымипокрытиямиСотовые, лунковыеС карманамиРис. 2.2. Классификация бесконтактных и податливых уплотненийтическими уплотнениями, т. к. при работе не происходит значительногоизменения площади открытого сечения в зазоре, и расходные характеристики незначительно зависят от скорости вращения вала.Уплотнительные узлы с податливыми (упругими) элементами относятся к промежуточному классу между контактными и бесконтактными уплотнениями. В [24] для описания таких уплотнений используетсятермин «следящие уплотнения».

В уплотнениях с податливыми элементами возможен непосредственный контакт сопряжённых поверхностейсогласно заложенным конструктивным особенностям или из-за деформации податливых элементов под действием давления, но также возможно и раскрытие зазора из-за всплытия податливых элементов илиуменьшения нагрузки.

Поэтому контактная зона в таких уплотненияххарактеризуется незамкнутостью и зависимостью от геометрических ирабочих параметров.612.2. Щелевые и демпферные уплотненияУплотнения с податливыми элементами можно также называть динамическими, т. к. в процессе работы могут происходить значительныеизменения величины номинального зазора.Уплотнения с абразивными покрытиями, выделенные в отдельныйкласс, представляют собой в первую очередь лабиринтные уплотненияи уплотнения с податливыми элементами, используемые совместно соспециальными напылениями на сопряжённые поверхности или с прирабатываемыми покрытиями.

Примером последнего является комбинациялабиринтного уплотнения с гребешками на роторе и сотового уплотнения на статоре. В этом случае процесс приработки заключается в образовании канавок в сотах, изготовленных из мягкого материала, вследствие лёгкого контакта с гребешками.Приведённые на рис. 2.1 и рис. 2.2 классификации уплотнений допускают различные комбинации отдельных блоков.

Например, гладкоещелевое уплотнение может быть как цилиндрическим, так и конфузорным или диффузорным; лабиринтное уплотнение может быть установлено совместно с сотовым уплотнением; манжета может комбинироваться с гидродинамическим уплотнением и т. д. Также известны примерыпоследовательной установки контактных и бесконтактных уплотненийдля обеспечения герметизации на всех режимах работы.Щёточные уплотнения, а также некоторые другие типы уплотнений из классификации, показанной на рис. 2.2, подробно рассмотрены впоследующих разделах текущей главы.В литературе также встречается использование термина «щёточное уплотнение» для узлов с жёсткими щёточными элементами, изготовляемыми с помощью технологии импульсной электрохимической обработки [34; 67].

При этом уплотнительный элемент выполняется в видевставок или непосредственно на торце пера лопатки.2.2. Щелевые и демпферные уплотненияГладкие щелевые уплотнения представляют собой простейший типбесконтактных уплотнительных узлов с гарантированным зазором. Щелевые уплотнения часто используются в качестве жидкостных уплотне622.2. Щелевые и демпферные уплотненияний и широко применяются в различных насосных агрегатах. В этомслучае щелевые уплотнения могут устанавливаться как между отдельными ступенями (промежуточные уплотнения) насоса, так и на импеллере и в разгрузочном устройстве. Также щелевые уплотнения могутиспользоваться в качестве торцовых уплотнений.На рис. 2.3а показаны в качестве примера втулки щелевых уплотнений, установка которых заключается во вкручивании уплотнения в элемент статора. Схема щелевого уплотнения с гладкой конической втулкой показана на рис.

2.3б. Также применяются самоустанавливающиесящелевые уплотнения (уплотнения с плавающими кольцами), втулка которых может перемещаться в радиальном направлении [24].Работа гладкого щелевого уплотнения напоминает работу гидродинамического подшипника скольжения с осевой подачей смазки. Основные отличия заключаются в различных диапазонах геометрических параметров / (отношение длины уплотнения к диаметру вала) и 2ℎ/(отношение среднего радиального зазора к радиусу вала), а также рабочих эксцентриситетов вала. Доминирующим направлением потока в щелевых уплотнениях является осевое, которое характеризуется большими числами Рейнольдса. Тогда как в гидродинамических подшипникахпреобладающим направлением является окружное с малыми числамиРейнольдса.Для определения расходной характеристики щелевого уплотненияшироко используется понятие коэффициента сопротивления щели.YhoLωrhiΩDXа) Цилиндрические втулки [62]eб) Схема уплотнения с конической втулкойРис.

2.3. Гладкие щелевые уплотнения632.2. Щелевые и демпферные уплотненияПри малых зазорах, больших нагрузках и высоких скоростях потокуплотняемой среды может генерировать значительные силы в уплотнении даже на малых эксцентриситетах вала. Поэтому щелевые уплотнения могут рассматриваться как вспомогательные опоры, которые должны быть учтены при динамическом анализе роторных систем (см., например, [19; 22; 62]).Расходные и динамические характеристики щелевых уплотненийопределяются радиальными зазорами в щели, поэтому важнейшей задачей при проектировании является анализ реальных зазоров, возникающих в процессе эксплуатации [21].Втулка щелевого уплотнения, показанного на рис.

2.3б, имеет конусообразную форму. Конусность (непостоянный радиальный зазор в канале в осевом направлении) уплотнения задаётся либо конструктивно,либо формируется в процессе эксплуатации из-за упругих деформацийкорпуса статора вследствие сборки, перекоса, перепада давления и температуры.Коэффициент конусности определяется как (см. рис. 2.3б):ℎ0 − ℎ1.(2.1)ℎ0 + ℎ1В зависимости от коэффициента конусности канал щелевого уплотнения может быть конфузорным (положительные значения ) или диффузорным (отрицательные значения ).

По сравнению с цилиндрической втулкой конусность может оказывать значительное влияние на расходные и динамические характеристики щелевого уплотнения (см., например, [295]). Влияние конусности в деформированном лабиринтномуплотнении на расход теоретически анализировалось в [60].Конструктивно отличный от нуля коэффициент конусности задаётся с целью улучшения динамических характеристик уплотнения, т. е.для уменьшения влияния уплотнения на динамику роторной системы.Цилиндрические втулки имеют наименьший расход по сравнениюс диффузорными или конфузорными втулками при одинаковом минимальном зазоре.

Конфузорные втулки могут демонстрировать улучшенные жесткостные и демпфирующие свойства, тогда как диффузорныйканал может заметно ухудшить динамические характеристики системы.=642.2. Щелевые и демпферные уплотненияК щелевым уплотнениям также можно отнести демпферные уплотнения, такие как сотовые и лунковые уплотнения, а также уплотненияс демпферными карманами. Демпферные уплотнения были предложены как альтернатива лабиринтным уплотнениям, которые, как правило,демонстрируют низкую демпфирующую способность, но могут возбуждать колебания вала за счёт высоких значений перекрёстной жёсткости.Демпферные уплотнения характеризуются сложной конфигурацией поверхности статора, которая, по аналогии с лабиринтными уплотнениями, создаёт чередование расширяющихся и сужающихся зон какв осевом, так и в окружном направлениях.

Наличие «камер» по окружности позволяет гасить закрутку потока газа, уменьшая тем самым перекрёстную жёсткость уплотнения.В качестве первых уплотнений с увеличенными демпфирующимихарактеристиками были предложены сотовые уплотнения, в которыхна поверхность статора наносится сотовая структура, изготовленная изтонкой металлической фольги толщиной 70.

. . 130 мкм с типичным размером сот около 3 мм [176]. В газовых турбинах сотовые уплотнения используются, как правило, в качестве абразивного уплотнения на позициях, претерпевающих значительные изменения в значениях радиальных зазоров на рабочих режимах по сравнению с номинальным состоянием. Пример сегмента сотового уплотнения показан на рис. 2.4.Лунковые уплотнения были предложены для увеличения жёсткости структуры впадин на поверхности статора, а также для упрощениятехнологии их производства.