Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 13

Отличия лунковых уплотнений от сотовыхзаключаются в размерах впадин и перемычек. В лунковых уплотненияхна одной из сопряжённых поверхностей также наносится сетка впадин(сетка отверстий), но с более крупным шагом. Форма впадин и характерих распределения по поверхности могут варьироваться.При правильном проектировании и применении сотовые и лунковые способны демонстрировать уменьшение расходной характеристики(по сравнению со сквозным лабиринтом) и улучшение динамическихсвойств. Однако известны также случаи возникновения дестабилизирующих сил в таких уплотнениях.Щелевые уплотнения с демпферными карманами появились в на652.2.

Щелевые и демпферные уплотненияРис. 2.4. Сегмент сотового уплотнения [339]чале 1990-х из работ по демпферам для подшипников [237]. Данный типуплотнений является разработкой Texas A&M Univeristy, известной подименем TAMSEAL [332].Уплотнения с демпферными карманами демонстрируют наибольшее демпфирование (по сравнению с другими типами щелевых уплотнений), а также малую перекрёстную жёсткость. К настоящему времениизвестны успешные приложения уплотнений с демпферными карманами в промышленных компрессорах [121; 161; 241].Оригинальная конструкция уплотнения с двумя гребешками и четырьмя карманами показана на рис.

2.5. Карманы в окружном направлении формируются с помощью перегородок (поз. 20 на рис. 2.5), разделяющих камеру уплотнения между гребешками. Функция перегородок заключается в уменьшении окружной составляющей скорости газа,а также в создании областей по окружности уплотнения с различнымизменяющимся давлением.Другой особенностью базовой конструкции уплотнения с демпферными карманами является диффузорный зазор (зазор входного гребешка меньше зазора выходного гребешка). Это конструктивное решениебыло предложено на основе ряда работ по лабиринтным уплотнениям, вкоторых было обнаружено увеличение демпфирования при использовании диффузорного канала. Полагается, что при вибрации ротора болеевысокая модуляция давления на входе из-за меньшего зазора и болеенизкая модуляция на выходе из-за более высокого зазора приводят к662.2.

Щелевые и демпферные уплотненияРис. 2.5. Базовая схема уплотнения с демпферными карманами [332]тому, что направление динамической силы давления противоположноколебательному движению. Однако, как было отмечено выше, диффузорный зазор может приводить к ухудшению динамических характеристик уплотнения, например, к отрицательной прямой жёсткости.Щелевые уплотнения с демпферными карманами характеризуются числом гребешков и формой гребешков, числом карманов в каждойкамере, размерами камеры.

Данные конструктивные параметры могутзначительно менять расходные и динамические характеристики уплотнения с демпферными карманами.В многокамерных демпферных уплотнениях карманы формируются лишь в нечётных камерах. Камеры с карманами и без карманов называются в этом случае активными и пассивными камерами соответственно. Назначение пассивных камер заключается в создании постоянного давления на входе в следующую активную камеру, что было такжеобосновано с использованием результатов более ранних работ.

Пассивные камеры не участвуют в генерации демпфирования, поэтому они выполняются более короткими, чем активные камеры.В процессе развития технологии демпферных уплотнений с карманами была предложена конструкция «полностью разделённого» уплотнения, в которой все камеры содержат перегородки (карманы), т. е. яв-672.2. Щелевые и демпферные уплотненияляются активными. На рис. 2.6 показано сравнение двух типов уплотнений с демпферными карманами.Преимуществом полного демпферного уплотнения является переход значений прямой жёсткости из отрицательных в положительныепри увеличении частоты возбуждения [161]. Также некоторые экспериментальные исследования продемонстрировали более высокое демпфирование в полных уплотнениях по сравнению со стандартными уплотнениями с демпферными карманами.В приведённых на рис.

2.6 схемах диффузорный зазор в активныхкамерах задаётся не конусностью, а с помощью пазов на выходных гребешках. Это упрощает и удешевляет процесс изготовления уплотнения.Также исследуются демпферные уплотнения с постоянным зазором.Различные экспериментальные исследования продемонстрировалиувеличенный расход демпферных уплотнений с карманами по сравнению с эквивалентными лабиринтными уплотнениями (до 30% в [361]).Динамические характеристики демпферных уплотнений с карманамидемонстрируют явную зависимость от частоты возбуждения.Рис.

2.6. Схемы стандартного (слева) и полного (справа) уплотнений сдемпферными карманами [162]682.3. Лабиринтные уплотнения2.3. Лабиринтные уплотнения2.3.1. Конструкции лабиринтных уплотненийЛабиринтные (гребешковые) уплотнения относятся к наиболее распространённому типу бесконтактных газовых уплотнений, используемому в турбомашинах. Существуют также жидкостные лабиринтныеуплотнения, которые, однако, отличаются от газовых геометрией камери гребешков, а также механизмом герметизации.Лабиринтное уплотнение представляет собой набор чередующихсякамер и гребней с различным относительным расположением, образуятем самым лабиринтный канал для течения уплотняемой среды.Герметизация в бесконтактных лабиринтных уплотнениях происходит за счёт ступенчатого процесса расширения-сжатия уплотняемойсреды, приводящего к преобразованию потенциальной энергии давления в кинетическую энергию газового потока, протекающего через систему камер и гребней.

В идеальном случае процесс расширения-сжатияявляется адиабатным и может быть продемонстрирован с использованием кривой Фанно (см. ниже).Расходная характеристика лабиринтного уплотнения в первую очередь определяется минимальным радиальным зазором между гребешками и поверхностью вала. Однако при заданном радиальном зазорегребешков расход уплотнения может также заметно меняться в зависимости от конструкций лабиринта (полный лабиринт, гребешки на роторе или статоре, конфузорный или диффузорный ступенчатый лабиринт,наклонённые гребешки, число и размер гребешков и камер).На рис. 2.7 схематично представлены основные типы лабиринтныхуплотнений.

Схема может быть дополнена различными комбинациямиотдельных типов (например, ступенчатый лабиринт с наклонённымигребешками; лабиринтные уплотнения с абразивными покрытиями).Также известны конструкции компактных радиальных лабиринтных уплотнений, которые, однако, из-за ограниченного осевого расширения находят лишь единичные приложения в турбомашинах.Простейшую конфигурацию лабиринтного уплотнения представля-692.3.

Лабиринтные уплотненияа) Простой (сквозной) лабиринтб) Наклонённый лабиринтв) Полный лабиринтг) Ступенчатый лабиринтд) Конфуз./диффузорный лабиринте) Высокий лабиринтж) Лабиринт с гребешками на роторез) Сотовый лабиринтРис. 2.7. Различные виды лабиринтных уплотненийет собой сквозной лабиринт, который не накладывает ограничения наосевое смещение вала из-за теплового расширения или осевых колебаний.

Сквозной лабиринт также прост в изготовлении и монтаже. Однакоотсутствие дополнительных помех в канале уплотнения для изменениянаправления потока приводит к ухудшению характеристики герметичности по сравнению с лабиринтами более сложной геометрии при одинаковых осевых размерах.Снижение утечек по сравнению со сквозным лабиринтом при прочих равных параметрах (осевая длина, число гребешков, радиальныйзазор под гребешками) демонстрируют уплотнения с полным, ступенчатым или сотовым лабиринтом. Также наклон гребешков позволяетсократить расход. С другой стороны, данные конфигурации лабиринтаявляются более сложными в изготовлении и сборке.

Некоторые их нихмогут быть использованы лишь в комбинации с разъёмными корпусами.702.3. Лабиринтные уплотненияВ табл. 2.1 приведено сравнение относительного уменьшения расхода в лабиринтных уплотнениях, определённое экспериментально в [387].Конструкция лабиринтного уплотнения также может в значительной степени влиять на аэродинамические силы, возникающие в каналахлабиринта, которые в свою очередь могут отрицательно влиять на динамику роторной системы. Особое внимание должно быть уделено тангенциальной по отношению к положению вала составляющей реакцииуплотнения. Высокие значения тангенциальной силы могут привести квозникновению динамической неустойчивости всей роторной системы.Тангенциальная сила в уплотнении напрямую зависит от величины тангенциальной составляющей скорости уплотняемого газа.

Поэтому распространённым подходом для уменьшения тангенциальной составляющей реакции является использование дополнительных колец навходе в уплотнение для снижения начальной закрутки газового потока.Другой метод для понижения уровня аэродинамических сил, возникающих в канале лабиринта, а также для уменьшения вероятности касанияэлементов статора и ротора заключается в назначении увеличенных зазоров в лабиринте, что, однако, отрицательно влияет на значение КПДвсей установки.Основными конструктивными параметрами лабиринтного уплотнения наряду со схемой являются число, форма и размер гребней, размеркамер, радиальный зазор.Гребни изготавливаются из листовой стали, либо вырезаются непосредственно на втулке ротора или статора.

Пример лабиринтного уплотнения с гребешками, расположенными на роторе, приведён на рис. 2.8.Гребни лабиринта выполняются по возможности тонкими и острыми. Тонкостенные гребни препятствуют переносу тепла, передаваемогоуплотняемой средой в материал уплотнения. Острые углы на окончании гребешка приводят к меньшим расходным коэффициентам щели. Вуплотнениях с тонкостенными гребнями также допускаются кратковременные касания элементов ротора и статора.Значение минимального радиального зазора должно выбираться сучётом максимальной амплитуды колебаний вала и возможного теплового расширения сопряжённых поверхностей.712.3. Лабиринтные уплотненияТаблица 2.1.

Относительное уменьшение расхода различных лабиринтных уплотнений [387, табл. 8.1]ВариантТип лабиринта/˙ ˙11Сквозной1.02В два раза уменьшенная высота камеры0.963В два раза увеличенная высота камеры1.014Удвоенное число камер в варианте 20.975Гребешки на роторе1.066Сотовый лабиринт0.597Полный лабиринт0.788Конфузорный лабиринт0.919Высокий лабиринт0.85Рис. 2.8. Лабиринтное уплотнение с гребешками на роторе [138]Величину минимального зазора в уплотнении турбомашины можнооценить с помощью следующего выражения [396, С.

555]:ℎmin = ( + 0.25) /1000,(2.2)где – диаметр ротора, – коэффициент, учитывающий термическоерасширение деталей и зазоры в подшипниках. В зависимости от турбомашины коэффициент принимает значения 0.6, 0.85, 1.3 [396, С. 555].Лабиринтные уплотнения могут применяться в широком диапазонеперепадов давления и температур и не имеют ограничений по скоростивращения вала. Ресурс лабиринтных уплотнений практически не огра722.3. Лабиринтные уплотненияничен при отсутствии контактных взаимодействий с ротором.2.3.2. Основы течения газа в лабиринтеЛабиринтное уплотнение рассматривается как последовательностьдросселирующих элементов, в которых происходит ступенчатое понижение давления газа.