Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 16

Такжедлина волокон влияет на контактную жёсткость при взаимодействииволокон с поверхностью вала.Угол наклона волокон. Угол наклона волокон также может изменяться в зависимости от деформации щёточного пакета под действиемдавления. Увеличение угла наклона при прочих постоянных параметрах приводит к увеличению пористости.Номинальный зазор.

Наряду с осевой толщиной пакета, радиальный зазор является вторым основным параметром щёточного уплотнения, который изменяется в процессе работы.Полный расход щёточного уплотнения складывается из расхода через щёточный пакет и утечек через зазор между кончиками волокон иповерхностью вала.

Уплотнения с нулевым зазором или с установкойвнахлёст, в которых отсутствует второе слагаемое полного расхода, демонстрируют наименьшие утечки. Однако в таких конфигурациях могут проявляться отрицательные эффекты, связанные с непрерывнымконтактом щётки и вала (высокие контактные силы, повышенный износ, нежелательное тепловыделение в зоне контакта, возможность отрыва отдельных волокон при чрезмерных колебаниях вала).Предпочтительным вариантом конфигурации щёточного уплотнения является установка с положительным номинальным зазором, который полностью закрывается на рабочем режиме при подаче давления.Это требует правильного выбора параметров щёточного пакета, ответственных за эффект опускания щётки. Неполное закрытие зазора наноминальных режимах работы будет иметь результатом более высокий862.4. Щёточные уплотнениярасход.

Исследования показали, что расходная характеристика щёточных уплотнений с положительным зазором может быть сопоставима нарабочих режимах с расходом через уплотнения с нулевым зазором.Как уже отмечалось, положительный номинальный зазор в щёточном уплотнении часто устанавливается в машинах с увеличенным интервалом обслуживания. Однако известны примеры, когда и в паровыхтурбинах использовались щёточные уплотнения с нулевым зазором.Геометрия и зазоры защитного и упорного колец.

Обойма щёточного уплотнения может также оказывать значительное влияние наего характеристики.Защитное кольцо, устанавливаемое перед щёточным пакетом, закрывает большую часть пакета от набегающего потока газа. Также известны конструкции, практически не имеющие защитного кольца, чтоприводит к уменьшению осевых размеров уплотнения и удешевлениюизготовления. В комбинации с лабиринтными уплотнениями гребешки,установленные перед щёткой, могут выполнять защитную функцию.Наличие опорного кольца препятствует повышенной деформацииволокон в осевом направлении. Опорное кольцо в значительной степенивлияет на жёсткость щёточного пакета, а значит и на эффект опусканиящётки, и на расход.

Торцовая поверхность, которая находится в непосредственном контакте с крайним рядом волокон, может выполнятьсяне сплошной, а быть профилированной или иметь систему камер. Этоделается для уменьшения осевых контактных сил, действующих в пакете, и для контроля за локальным перепадом давления в пакете.Радиальный зазор защитных и опорных колец также является важным параметром. Он определяет длину открытой щётки. Зазор кольцаможет быть выбран из соображений, используемых при проектированиилабиринтных уплотнений.

Слишком большой зазор опорного кольца может привести к увеличению нежелательного осевого изгиба волокон.Обработка контактирующих поверхностей. Податливые волокна щёточных уплотнений могут вступать в контакт с валом. Поэтомудля создания благоприятных условий контактирования на поверхность872.5. Пальчиковые и листовые уплотнениявала в возможной зоне контакта могут наноситься специальные покрытия.

В качестве покрытия может быть использован карбид хрома [248].2.5. Пальчиковые и листовые уплотненияВ настоящее время параллельно с щёточными уплотнениями разрабатываются и другие технологии уплотнений с податливыми элементами, которые, однако, ещё не получили распространение.Технология пальчиковых уплотнений развивается как более дешёвая альтернатива щёточным уплотнениям. Стоимость изготовленияпальчиковых уплотнений заметно ниже по сравнению со стоимостью изготовления щёточных уплотнений [292].Пальчиковое уплотнение состоит из двух рядов пальцев (лепестков), которые, по аналогии с волокнами в щёточном уплотнении, располагаются радиально под углом в окружном направлении.

Пальцы устанавливаются таким образом, чтобы первый ряд пальцев высокого давления перекрывал окружные зазоры второго ряда пальцев низкого давления. Число пальцев в уплотнении значительно меньше числа волоконв щёточном уплотнении. Пальцы имеют более высокую осевую и радиальную жёсткость.Направлением развития технологии пальчиковых уплотнений являются бесконтактные пальчиковые уплотнения, в которых пальцы высокого давления имеют немного увеличенный радиальный зазор, а пальцы низкого давления включают в себя подушки (подъёмные площадки)с малым или нулевым зазором, всплывающие на рабочих режимах (см.рис.

2.14 и рис. 2.15).Одним из направлений исследования пальчиковых уплотнений является выбор профиля подушки, определяющего рабочий зазор в уплотнении (см., например, [56]). Наряду с постоянным зазором предлагаютсяконфузорные в осевом направлении зазоры, а также подушки со ступенчатым профилем в окружном направлении (карманы Рэлея). Бесконтактное пальчиковое уплотнение, показанное на рис. 2.15, имеет 81лепесток в каждом из двух рядов при диаметре вала 73 мм [129]. Зазор между лепестками в осевом направлении составляет 0.4 мм.

Назна882.5. Пальчиковые и листовые уплотненияРис. 2.14. Бесконтактное пальчиковое уплотнение [291]Рис. 2.15. Модель сегмента пальчикового уплотненияченные максимальный и минимальный радиальный зазоры составляют20 мкм и 2 мкм соответственно. Скорость вала на рабочем режиме составляет 20 000 об/мин.По сравнению с щёточными уплотнениями пальчиковые уплотнения характеризуются относительно небольшим числом податливых элементов, что увеличивает вероятность более интенсивного контактного взаимодействия с валом.

Поэтому при проектировании пальчиковыхуплотнений важной задачей является правильный учёт за податливостью и самоустанавливающимся действием пальцев в зависимости отдавления и скорости вращения вала.Основное отличие конструкции листового уплотнения от щёточного уплотнения заключается в том, что вместо волокон малого диаметра пакет уплотнения собирается из большого количества металлическихпластин малой толщины (листов). Фотография и схема действия листового уплотнения показаны на рис.

2.16.Увеличенная опорная поверхность отдельного листа приводит к более ярко выраженному эффекту всплытия, что позволят классифицировать листовые уплотнения как «менее контактные» по сравнению с892.5. Пальчиковые и листовые уплотненияРис. 2.16. Фотография листового уплотнения и принцип действия [147]щёточными уплотнениями с установкой внахлёст или с нулевым номинальным зазором. Всплытие пластин, которое происходит по действиемаэродинамической реакции, приводит к образованию малого радиального зазора, что может значительно уменьшить вероятность износа, позволяя при этом поддерживать хорошие характеристики герметичности.Снижение контактных сил также приводит к уменьшению тепловыделения и тормозящего крутящего момента в узле.В известных конструкциях листовых уплотнений (см. [348]) пластины пакета имели ширину (длину в осевом направлении) от 5 мм до10 мм, толщину 70 мкм, наклон 37.5∘ , окружной зазор между пластинами 8 мкм, при всплытии радиальный зазор составлял до 10 мкм.

Типичные параметры листовых уплотнений сведены в табл. 2.5.На характеристики листовых уплотнений также большое влияниеоказывают геометрия и размеры защитных и опорных колец. По сравнению с щёточными уплотнениями появляется дополнительный параметр, значительно влияющий на работоспособность, а именно осевойТаблица 2.5. Типичные параметры листовых уплотненийДиапазон значенийТолщина пластин [мм]0.05 – 0.5Осевая длина [мм]5.0 – 10.0Зазор между пластинами [мкм]8.0Длина пластин [мм]20.0 – 30.0Угол наклона [∘ ]30 – 70Номинальный радиальный зазор [мкм]положительный, нулевой, внахлёст902.5.

Пальчиковые и листовые уплотнениязазор между пластинами и кольцами уплотнения.Листовые уплотнения могут уменьшать утечки на 70% по сравнению с лабиринтными уплотнениями. По сравнению с щёточными уплотнениями, листовые уплотнения могут работать на более высоких перепадах давления, т. к. пластины имеют более высокую жёсткость в осевом направлении.Технология листовых уплотнений в настоящий момент практически выведена на коммерческий уровень, но является все ещё малодоступной опцией с ограниченной информацией о характеристиках и опыте эксплуатации.

На рис. 2.17 показан пример замены щёточного уплотнения в зоне между компрессором и турбиной в стационарной газотурбиной установке фирмы Mitsubishi Heavy Industries на листовое уплотнение с нулевым зазором, используемое в паре с абразивным покрытием.Как уже отмечалось в главе 1, в настоящее время также разрабатываются модифицированные листовые уплотнения и уплотнения с лепестками, ориентированными в осевом направлении. Принципы функционирования таких уплотнений напоминают работу описанных вышелистовых и пальчиковых уплотнений.Рис.

2.17. Листовое уплотнение в газовой турбине MHI M501G [359]912.6. Уплотнительные узлы в АД2.6. Уплотнительные узлы в авиационныхдвигателях2.6.1. Типы уплотнений в авиационных двигателяхВ авиационных двигателях применяются различные типы уплотнений. При этом уплотнения выполняют не только функцию минимизации паразитных утечек, но и играют важную роль в системе внутреннего воздухоснабжения двигателя (обеспечение охлаждения деталей, отбор газа из проточной части для различных целей).В конструкции типичного газотурбинного двигателя летательногоаппарата можно выделить следующие основные позиции уплотнительных узлов [326]: надбандажные уплотнения вентиляторов и компрессоров, межкаскадные и концевые уплотнения компрессоров, статические уплотнения камер сгорания, уплотнения разгрузочных устройств,уплотнения подшипниковых узлов, надбандажные уплотнения и уплотнения венцовых камер в турбинах, уплотнения элементов статора.Для уплотнения подшипниковых камер в авиационных двигателяхраспространение получили три типа уплотнений [51; 285]: контактныеграфитовые уплотнительные кольца, графитовые торцовые уплотненияи многоступенчатые лабиринтные уплотнения.