Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 14

Данный процесс можно сравнить с процессом понижения скорости среды при последовательном её вытекании из системы резервуаров, расположенных вертикально [387].В камере перед уплотнением газ получает ускорение при приближении к сечению с наименьшим зазором под первым гребешком. Приэтом потенциальная энергия газа превращается в кинетическую. Затемгаз с высокой кинетической энергией поступает в камеру лабиринта, гдепроисходит диссипация кинетической энергии за счёт образования завихрений.

Допуская идеальное изменение состояния среды, описанныйпринцип работы лабиринта характеризуется нижеследующими двумятермодинамическими процессами.1. Изотропное расширение газа в зазоре под гребешком.2. Изобарное завихрение потока газа в камере.Графическое представление происходящих процессов в лабиринтена (ℎ, )-диаграмме приводит к так называемой кривой Фанно, которая строится по вершинам изотропного расширения газа для каждогогребешка (см.

рис 2.9). При построении кривой Фанно используются нижеследующие выражения.Массовый баланс:.(2.3)2= Δℎ.2(2.4)˙ =Баланс энергии:√Кривая Фанно:2Δℎ ˙== const.(2.5)Перед уплотнением газ находится в состоянии покоя со следующими параметрами: 0 , 0 , 0 , 0 = 0. При протекании через первый гребе732.3.

Лабиринтные уплотненияа) Идеальный процессб) Реальный процессРис. 2.9. Термодинамический процесс в лабиринтном уплотнениишок газ подвергается обратимому адиабатическому (изоэнтропическому) расширению, при котором начальное давление 0 понижается до величины 1 (изоэнтропа 11 на рис 2.9). Пересечение изоэнтропы с кривой Фанно даёт новое состояние газа после первого гребешка: 1 , 1 , 1 .Разница энтальпий газа Δℎ11 = ℎ1 − ℎ1 преобразовывается в кинетическую энергию. При этом скорость газа становится равной:√︀1 = 2Δℎ11 .(2.6)В камере за первым гребешком кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию (энтальпию) газа. Процесс происходит припостоянном давлении и представляется изобарой 1 на рис.

2.9. Точка2, являющаяся пересечением линии ℎ1 = ℎ2 = . . . = const и изобары 1 ,представляет новое состояние покоя газа перед вторым гребешком.Описанный процесс повторяется во всех последующих камерах лабиринта, пока не будет достигнуто установленное давление на выходеиз уплотнения. При этом скорость газа при прохождении сечения с наименьшим зазором под гребешком непрерывно увеличивается в каждомдросселирующем элементе.Ситуация, когда изоэнтропа становится касательной к кривой Фанно (штрихпунктирная изоэнтропа на рис.

2.9), соответствует достижению скорости звука в соответствующем сечении с наименьшим зазором.742.4. Щёточные уплотненияВ лабиринтных уплотнениях такая ситуация может произойти лишь впоследней камере. Режим работы лабиринтного уплотнения часто характеризуют как докритический (максимальное число Маха при прохождении последней щели Ma < 1) и закритический (Ma ≥ 1).Реальный процесс в лабиринтном уплотнении значительно отличается от идеального, описанного выше. Реальный процесс также можетрассматриваться как адиабатический, но два допущения об изотропномрасширении и изобарном завихрении в этом случае не выполняются.На рис. 2.9 схематично приведена (ℎ, )-диаграмма для реальногопроцесса.

Скорость газа перед уплотнением не равна нулю, поэтому полная энтальпия начального состояния есть (ℎ0 + 0 /2). Процесс расширения 11 является теперь политропным, при котором возникают потерина трение. Потери приводят к увеличению энтропии на величину Δ.Вследствие ограниченного объема последующей камеры, в ней происходит частичное восстановление (повышение) давления на величину Δ,т. е.

изменение состояния газа 1 2 происходит не вдоль изобары. Преобразование кинетической энергии также происходит не полностью: газперед вторым гребешком имеет конечную скорость 1 . Повторение процесса в последующих камерах лабиринта приводит к тому, что точки 1,2, . . . не лежат на горизонтальной линии ℎ0 = ℎ1 = . . . = const.2.4. Щёточные уплотнения2.4.1. Конструкции щёточных уплотненийЩёточные уплотнения являются на настоящий момент наиболееразвитой технологией уплотнений с податливыми элементами.

Разработка данной технологии велась в первую очередь для замены лабиринтных уплотнений на щёточные как в новых машинах, так и при проведении модернизации с целью уменьшения утечек и осевых размеровуплотнительного узла, т. е. повышения КПД агрегата. Фотографии пакета типичного щёточного уплотнения показаны на рис. 2.10.Из различных источников следует, что уменьшение утечек при замене лабиринтного уплотнения на щёточное может составлять от 50%752.4. Щёточные уплотненияРис. 2.10. Щёточный пакет отдельно (слева) и в сборке (справа)до 70%. Использование щёточных уплотнений, установленных с нулевым радиальным зазором или с натягом, приводит к ещё более высокому выигрышу по расходной характеристике.

Согласно другой наглядной оценке, основанной на результатах экспериментальных исследований, одно щёточное уплотнение позволяет заменить одно стандартноелабиринтное уплотнение с пятью гребешками. Как отмечалось выше,динамические характеристики щёточных уплотнений и их влияние наколебания ротора являются практически неисследованной областью.Щёточное уплотнение состоит, как правило, из щёточного пакетаи защитного и упорного колец, образующих обойму. Пакет уплотнениясоставлен из большого числа тонких, металлических или неметаллических волокон, расположенных под углом в окружном направлении, которые либо скреплены между собой с помощью обруча (механическоекрепление), либо соединены с использованием сварки. Два указанныхметода сборки щёточного пакета являются единственными методами,получившими распространение.Две стандартные конструктивные схемы щёточных уплотнений показаны на рис.

2.11 с главным отличием в способе изготовления щёточного пакета. Щёточный пакет представляет собой статический элемент уплотнительного узла. Однако также известны специальные случаи установки щёточного пакета на вращающемся роторе.Практическое описание технологии щёточных уплотнений приве-762.4. Щёточные уплотненияОбоймаЗонавысокогодавленияОбоймаЗонавысокогодавленияЩеткаВалЩёткаВала) Механическое креплениеб) Сварное соединениеРис. 2.11. Типовые схемы щёточных уплотненийдено в [391, раздел 7.3].

Информация по щёточным уплотнениям отфирм-производителей может быть найдена в соответствующих проспектах (см., например, [130; 155; 182; 368]).Диапазоны типичных геометрических и рабочих параметров щёточных уплотнений, изготовленных из металлического или из синтетического волокна, приведены в табл. 2.2.

Также было предложено изготовление щёточных пакетов из углеродных или керамических волокондля использования в высокотемпературных условиях.Выбором проволоки малого или большого диаметров можно контролировать жёсткость щёточного пакета. Плотность упаковки определяется из диаметра проволоки и толщины пакета в осевом направлении.Значение параметра плотности упаковки представляет собой число волокон в пакете на миллиметр в окружном направлении.Волокна в щёточном пакете устанавливаются под углом в окружном направлении для предотвращения потери устойчивости и поломокпри контакте с ротором.

В этой связи стандартные щёточные уплотнения не могут работать в реверсивном режиме, когда вал вращается впротивоположную сторону.Сборка узла с щёточным уплотнением может осуществляться с положительным радиальным зазором, с нулевым зазором, а также с отрицательным зазором (внахлёст, в натяг). Щёточное уплотнение имеетподатливые элементы (волокна), поэтому реальная величина остаточного зазора при эксплуатации зависит от рабочих параметров, в первую772.4.

Щёточные уплотненияТаблица 2.2. Типичные геометрические и рабочие параметры ЩУМеталлическаяСинтетическоепроволока (Haynes 25)волокно (Кевлар)50 – 20012 – 150Угол наклона [ ]20 – 6010 – 60Номинальный радиальный зазор [мкм]положительный, нулевой, внахлестПлотность упаковки [шт/мм]50 – 200до 7000Диаметр уплотнения [мм]10 – 300020 – 600Макс. перепад давления [МПа]3.52.0Макс. линейная скорость вала [м/с]500150Макс. температура [∘ C]815250Диаметр проволоки [мкм]∘очередь от давления. Положительный номинальный зазор позволяет избежать контактного взаимодействия или уменьшить силы при контактеволокон с поверхностью вала, т.

е. уменьшить износ, но может привестик повышению расхода. Щёточные уплотнения с положительным номинальным зазором используются в турбомашинах с увеличенными интервалами между инспекциями, например, в паровых турбинах.Вследствие меньшего диаметра проволоки и более плотной упаковки щёточные пакеты из синтетического волокна демонстрируют улучшенные расходные характеристики по сравнению с металлическими пакетами. Главными ограничениями в использовании синтетических волокон являются деградация материала уже при умеренных температурахсреды, а также низкая механическая жёсткость. Это объясняет значительно более узкие диапазоны рабочих параметров, при которых могутбыть использованы синтетические щёточные пакеты.Металлическая проволока может изготавливаться из жаропрочныхсплавов на основе кобальта, никеля, хрома и вольфрама.

Широкое распространение получил коммерческий сплав Haynes 25 [196], химическаяформула которого приведена в табл. 2.3.В качестве синтетического волокна используются арамиды, которые, однако, имеют относительно узкий диапазон рабочих температур.Наиболее распространённым синтетическим материалом, применяемомдля изготовления пакетов щёточных уплотнений, является Кевлар.782.4. Щёточные уплотненияВ табл. 2.2 представлены экстремальные границы диапазона рабочих параметров щёточных уплотнений. Реальные границы применениязависят от конкретного приложения (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, паровые турбины), места установки уплотнения, а также компоновки уплотняемого узла.В приложениях с увеличенными интервалами инспекции щёточныеуплотнения часто применяются совместно с различными лабиринтнымиконфигурациями.