Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 15

Гребешки в таких комбинациях служат в качестве резерва на случай выхода из строя щёточного уплотнения, но также могутиспользоваться для предохранения щёточного уплотнения и контроляза локальным перепадом давления через щёточный пакет.Комбинации щёточных и лабиринтных уплотнений часто используются в паровых турбинах и стационарных газотурбинных установках. Фотографии таких уплотнений приведены в качестве примера нарис. 2.12. Также для защиты волокон перед щёточным пакетом на поверхности вала могут устанавливаться дефлекторы.Преимущества щёточных уплотнений над стандартными лабиринтными уплотнениями приведены ниже.Значительно более высокая герметичность.

Большое число волокон в щёточном пакете создаёт дополнительные местные потери в канале уплотнения, что приводит к значительному уменьшению утечек посравнению с лабиринтными уплотнениями.Эффект закрытия зазора. Щёточные уплотнения характеризуются изменяемым (адаптивным) радиальным зазором между поверхностью вала и кончиками волокон.

Под действием перепада давления через щёточный пакет с номинальным положительным зазором волокТаблица 2.3. Химическая формула сплава Haynes 25 [196]CoNiCrWFeMnSiC51%10%20%15%3%1.5%0.4%0.1%792.4. Щёточные уплотненияна уплотнения могут опускаться на поверхность вала, уменьшая илизакрывая полностью свободный радиальный зазор и снижая тем самым расход. Волокна могут также несимметрично опускаться на поверхность вала при его эксцентричном положении или прецессии.Меньшие размеры в осевом направлении. Осевая длина щёточного пакета в сборке с защитным и опорным кольцами значительноменьше длины самых коротких лабиринтных уплотнений с тремя гребешками (осевая длина пакета обычно не превышает 2 мм).

Из-за лучшей расходной характеристики щёточных уплотнений пропадает необходимость использования многогребешковых лабиринтных уплотнений,что приводит к уменьшению осевых размеров и к снижению веса турбомашины. Однако, как отмечалось выше, в некоторых приложенияхщёточные уплотнения устанавливаются вместе с лабиринтом, которыйвыполняет страхующую функцию.

Но и в этом случае длина уплотнительного узла либо остаётся постоянной, либо уменьшается.Способность воспринимать колебания вала при малых зазорах.Податливость элементов щёточного пакета, расположенных под углом кповерхности вала, позволяет воспринимать определённый уровень вибраций без потери работоспособности. Также допускаются монтажныеи эксплуатационные смещения вала вследствие, например, несоосностии температурной деформации.

Возникновение контакта в лабиринтномЩёточные уплотненияРис. 2.12. Фотографии щёточно-лабиринтных уплотнений [228; 389]802.4. Щёточные уплотненияуплотнении часто приводит к необратимой деформации или поломкегребешков, что имеет результатом увеличение радиального зазора, а,следовательно, и расхода.Всплытие щёточного пакета При вращении вала возникают аэродинамические силы в зазоре между щёточным пакетом и валом, поддействием которых волокна могут также всплывать. Данное явлениерассматривается в качестве положительного эффекта, который приводит к уменьшению износа кончиков волокон, однако при значительномвсплытии эффект может быть и отрицательным из-за увеличения расхода вследствие увеличения свободного радиального зазора.К недостаткам щёточных уплотнений можно отнести нижеследующие положения.Относительно узкий диапазон рабочих параметров.

При эксплуатации щёточных уплотнений волокна могут находиться в постоянном контакте с поверхностью вала, что ограничивает допустимые скорости вращения вала и температуры по сравнению с бесконтактнымиуплотнениями. Наличие подвижных элементов также ограничивает допустимый перепад давления через щёточный пакет.Эффект гистерезиса и повышение жёсткости пакета. В процессе работы при номинальном и переходном режимах щёточное уплотнение может демонстрировать эффект гистерезиса и повышения жёсткости пакета. Эффект гистерезиса объясняется силами трения, возникающими в пакете. Одним из проявлений эффекта гистерезиса являетсязависимость расхода ЩУ от истории нагружения. Сжатие щёточногопакета в осевом направлении при увеличении перепада давления приводит к повышению механической жёсткости уплотнения, что можетиметь отрицательный эффект при эксплуатации.Осевая деформация волокон и открытие зазора.

Превышениемаксимально допустимого перепада давления приводит к перегружен812.4. Щёточные уплотненияности щёточного уплотнения, что проявляется в осевой деформации волокон на кромке опорного кольца, приводящей к открытию свободногозазора между щёточным пакетом и поверхностью вала.Возможность неустойчивой работы и повышенного износа.

Внекоторых исследованиях указывалось на возникновение возможныхпроблем, связанных с неустойчивым поведением щёточных уплотнений,а также с отсутствием воспроизводимости рабочих характеристик. Этоможет приводить к повышенному износу уплотнительного узла. Такжеможно отметить проблемы с использованием многоступенчатых конструкций с щёточными уплотнениями, в которых может наблюдатьсянежелательное несимметричное распределение нагрузки между отдельными ступенями. Данный пункт говорит о недостаточной информациипо динамическому поведению щёточных уплотнений и малому опытуиспользования таких уплотнений.Увеличенные размеры в радиальном направлении.

По сравнению с лабиринтными уплотнениями щёточный пакет вместе с обоймойтребует увеличенного пространства в радиальном направлении.Сложность конструкции и повышенная стоимость. По сравнению с лабиринтными уплотнениями щёточные уплотнения являются более сложными в изготовлении и дорогостоящими из-за наличия щёточного пакета и используемых материалов.

С другой стороны, щёточноеуплотнение представляет собой отдельную деталь машины, тогда каклабиринтное уплотнение часто является одной из составляющих крупной детали. Поэтому, например, при ремонте двигателя замена щёточного уплотнения может быть выполнена быстрее и с меньшими затратами, чем замена элементов лабиринтного уплотнения.2.4.2. Параметры щёточных уплотненийКонструктивные особенности щёточных уплотнений можно обобщённо разделить на параметры изготовления щёточного пакета и на822.4. Щёточные уплотнениягеометрию обоймы уплотнительного узла, т. е. опорных и упорных колец.

Конструктивные параметры дополняются эксплуатационными требованиями по необходимости использования абразивного покрытия.Упаковка волокон в щёточный пакет характеризуется параметромпористости пакета, который представляет собой отношение объема пустот между волокнами к объему всего пакета. Для вычисления пористости используется допущение об идеальном расположении цилиндрических волокон в шахматном порядке (см. рис. 2.13).Из геометрических соображений можно показать, что пористостьщёточного пакета толщиной в осевом направлении , собранного из волокон диаметра , расположенных под углом к валу, упакованных сплотностью штук на единицу длины в окружном направлении, определяется как:2 =1−=1−,(2.7)4 cos где – объём, занимаемый волокнами пакета.Метод изготовления щёточного пакета.

Технология изготовления пакета ЩУ может влиять на характеристики узла.Механический способ соединения отдельных волокон в набор невлияет на характеристики материала проволоки, тогда как при использовании сварки свойства материала в зоне, близкой к сварному шву, могут изменяться. В связи с этим длина волокон в сварном пакете обычнопревышает длину волокон в пакете, изготовленном чисто механическимспособом.В коммерчески доступных щёточных уплотнениях влияние технологии изготовления пакета на расходные характеристики можно оценить как незначительные по сравнению с другими конструктивнымипараметрами.Диаметр проволоки и материал. Диаметр проволоки имеет неоднозначный эффект на характеристики щёточного уплотнения.

Волокна малого диаметра позволяют добиться более плотной упаковки, т. е.более низкой пористости, что приводит к уменьшению утечек через щё-832.4. Щёточные уплотненияРис. 2.13. Идеализированная упаковка щёточного пакетаточный пакет. С другой стороны, волокна малого диаметра имеют меньшую жёсткость, и пакет может демонстрировать более выраженное проявление эффекта гистерезиса.Как уже отмечалось выше, волокна изготавливаются из стали, в качестве которой обычно используют сплав на кобальтовой основе, или изсинтетического волокна. Некоторые свойства данных материалов приведены для сравнения в табл.

2.4. Результаты по изменениям механических характеристик арамидного волокна в зависимости от температурыи времени могут быть найдены в [272].Диаметр стальной проволоки в коммерчески доступных щёточныхуплотнениях имеет три типоразмера [112]: 70 мкм (плотность упаковки100 или 200 шт/мм), 100 мкм (плотность упаковки 140 шт/мм) и 150 мкмТаблица 2.4. Свойства материалов щёточных пакетовМетал. микропроволокаСинтет. волокноHaynes 25 [196]Kevlar [270]Плотность [кг/м3 ]9130.01384.0Модуль Юнга [Па]225.0 × 10982.7 × 109Предел прочности на разрыв [Па]1005.0 × 1061101.4 × 106Параметр⋆⋆Приведены значения при комнатной температуре842.4.

Щёточные уплотнения(плотность упаковки 50 шт/мм).Синтетическое микроволокно может быть изготовлено значительно меньшего диаметра, что позволяет более плотно упаковать пакет идополнительно уменьшить величину расхода через уплотнение. Щёточные уплотнения с синтетическими волокнами ещё не нашли широкоеприменение, в литературе может быть найдена лишь очень ограниченная информация по таким уплотнениям.

Поэтому сделать заключение овлиянии материала на расходную характеристику уплотнения при одинаковом диаметре проволоки является затруднительным. Для синтетической проволоки типовой диаметр волокна составляет 12 мкм с плотностью упаковки 4000 или 6350 шт/мм [112].Плотность упаковки и осевая толщина пакета. Осевая толщинапакета является одним из двух параметров, которые могут изменяться в процессе работы.

При наличии перепада давления через пакет начальная упаковка сжимается за счёт уменьшения осевых зазоров междуотдельными волокнами. При неизменной плотности упаковки сжиманиепакета в осевом направлении приводит к уменьшению пористости, а следовательно и утечек.Из комбинации двух параметром ( и ) или ( и ) можно получить оценку третьего параметра ( или , соответственно). Допущениеоб идеальной упаковке волокон в пакете также позволяет из геометрических соображений рассчитать теоретическое значение минимальнойтолщины щёточного пакета [390]:√ (︂)︂3 min = +−1 .(2.8)2cos Также встречается другая формула для определения минимальнойтолщины пакета, выдающая немного более высокие значения по сравнению с ур.

(2.8) [123; 243; 381]:(︂)︂ √ min,23+1 .(2.9)=2sin Минимальная толщина пакета зависит лишь от диаметра проволоки, плотности упаковки и угла наклона волокон. Для двух типоразме852.4. Щёточные уплотненияров параметр minпринимает следующие значения (угол наклона 45∘ ):min= 1.21 мм, = 70 мкм, = 200 шт/мм,min= 1.40 мм, = 150 мкм, = 50 шт/мм.Длина волокон. Длина волокон влияет в первую очередь на упругиехарактеристики щёточного пакета, т. е. на опускание волокон к поверхности вала при возникновении радиального перепада давления.