Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 17

Степень герметичностиуплотнения во многом определяет величину прокачки масла через опору двигателя. Использование лабиринтных уплотнений в данном случае в первую очередь обусловлено высокими скоростями вращения валов. Однако расход в лабиринтных уплотнениях значительно превышает расход двух других типов. Также лабиринтные уплотнения проигрывают по размеру и весу. Поэтому применение щёточных уплотненийдля уплотнения подшипниковых камер представляется целесообразнымнаправлением.Контактные уплотнения используются в проточной части авиационных двигателей для герметизации элементов ротора и статора от утечек охлаждающего воздуха [25].

При уплотнении значительных зазоровиспользуются конусные упругие кольца, а также различные металлические ленты как отдельно, так и в комбинации с тканевыми уплот-922.6. Уплотнительные узлы в АДнениями. Гофрированные W-образные (или E-образные), O-образные,C-образные кольца используются для уплотнения стыков между деталями статора или для уплотнения стыков с возможным небольшим перемещением. Наиболее часто используемые E-образные уплотнения изготавливаются, как правило, из металла. Также на многих позицияхможно встретить сальниковые уплотнения (графитовые, керамические,из стекловолокна, из специальных сплавов).Торцовые уплотнения используются в двигателях летательных аппаратов в подшипниковых узлах и редукторах для контроля за проникновением газа из горячего газовоздушного тракта в камеру подшипника, для предотвращения утечки масла в проточную часть и воздушнуюсистему кабины летательного аппарата (функция наддува и суфлирования масляных полостей [14]), а также для защиты от посторонних предметов.

Также торцовые уплотнения используются для герметизации агрегатов автоматики. Применение торцовых газодинамических уплотнений в авиационных двигателях анализируется в [10; 40].Прирабатываемые (абразивные) покрытия элементов статора широко используются в авиационных двигателях при уплотнении вентиляторных лопаток, сопловых лопаток и венцов рабочих лопаток компрессоров и турбин. Прирабатываемые покрытия, являясь довольно простой и дешёвой технологией, позволяют получать наименьшие значениярабочих зазоров в проточной части, достижение которых конструктивными особенностями является сложной технологической задачей.

Принцип получения минимальных зазоров основан на нанесении на стенкустатора специального покрытия, к которому прирабатываются сопряжённые вращающиеся элементы во время эксплуатации путём контролируемого износа или деформации покрытия.На рис.

2.18 приведены три варианта применения прирабатываемых покрытий для уплотнения рабочих лопаток по внешнему диаметру.В первом варианте (a) (см. рис. 2.18) в качестве прирабатываемого покрытия используется пористый металлический материал, которыйнаносится в виде порошка либо газотермическим напылением, либо путём спекания. В процессе работы нанесенный материал истирается. Эффективность такого покрытия оценивается отношением износа матери932.6.

Уплотнительные узлы в АДРис. 2.18. Типы прирабатываемых покрытий [246]ала покрытия к износу лопатки (пропорция 10:1 может считаться хорошей характеристикой истираемости [246]). Примерами прирабатываемых покрытий являются графито-алюминиевые и графито-тальковыепокрытия, соты, керамические покрытия.В варианте (b) (см. рис.

2.18) также используется пористый материал, но не в качестве истираемого материала, а в качестве податливогослоя, который подвергается пластической деформации во время эксплуатации.В третьем варианте (c) (см. рис. 2.18) применяется материал безпор, обладающий низким сопротивлением сдвигу (например, слой напылённого алюминия).

В процессе работы венец лопатки вырезает в легкодеформируемом материале канавку, не подвергаясь при этом излишнему износу. В данном случае проблему могут представлять обрезки покрытия, не покинувшие проточную часть.Основной задачей при работе с прирабатываемыми покрытиями является выбор правильного материала покрытия в зависимости от рабочей температуры и окружных скоростей сопряжённых поверхностей.Использование материалов с низкой прочностью повышает вероятностьнежелательной эрозии. В условиях высокой температуры может возникать окисление материала покрытия.Как уже отмечалось выше, сотовые уплотнения также могут бытьотнесены к типу абразивных уплотнений, так как гребень лабиринта вовремя работы может вырезать себе канал в более мягком материале элементов сот.

Разработка метода проектирования сотовых лабиринтныхуплотнений описывается в [77; 78].942.6. Уплотнительные узлы в АДЛабиринтные уплотнения широко используются в газотурбинныхдвигателях (ГТД) на различных позициях (например, концевые и межступенчатые уплотнения, межразрезные вставки над рабочими лопатками, уплотнения под сопловыми аппаратами, в системе охлаждения).Распространёнными конфигурациями являются сквозной, ступенчатыйи конфузорный/диффузорный лабиринты (см. рис. 2.7).Лабиринтные уплотнения обычно устанавливаются в комбинации сабразивными уплотнениями (прирабатываемые покрытия для высокотемпературных позиций, сотовые уплотнения).

В этом случае гребешкирасполагаются на роторе, образуя так называемый вращающийся лабиринт. Например, конфигурация ступенчатого лабиринта с тремя гребешками характерна для уплотнения надбандажных полок лопаток.Из-за постоянного стремления к повышению рабочих параметровавиационных двигателей увеличиваются требования и к параметрам работоспособности уплотнительных узлов. В [306] были указаны следующие значения рабочих параметров:∙ максимальный перепад давления около 2.1 МПа,∙ максимальная температура около 1090 К,∙ линейная скорость до 460 м/с.2.6.2.

Щёточные уплотнения в авиационных двигателяхРазвитие технологии щёточных уплотнений было первоначальносвязано с авиационными двигателями. К настоящему времени известенряд примеров внедрения щёточных уплотнений за рубежом в двигателях как гражданской, так и военной авиации. Общий обзор конструкций иностранных авиационных двигателей и программ по их развитиюможет быть найдет в [26].Первые известные попытки использования щёточных уплотнений вавиационных двигателях за рубежом перечислены в [122].Фирмой GE в 1955 г. впервые была предпринята попытка установки щёточного уплотнения на турбореактивном двигателе J47 (TG-190),оказавшаяся безуспешной.952.6.

Уплотнительные узлы в АДВ 1980-х годах фирма Rolls-Royce успешно протестировала щёточные уплотнения на ряде демонстрационных образцов, а в 1987 г. на серийном турбореактивном двухконтурном (турбовентиляторном) двигателе Turbo-Union RB199, который использовался в боевом реактивномсамолёте Panavia Tornado.Фирма Allison Engine Company (приобретённая фирмой Rolls Royceв 1995 г.) успешно протестировала щёточные уплотнения на турбовальных двигателях LHTEC T800 (щёточное уплотнение в разгрузочной полости свободной турбины) и T406 Plus (13 щёточных уплотнений междукаскадами компрессора и 6 щёточных уплотнений в горячем тракте).Фирма Pratt & Whitney проводила широкие исследования по внедрению щёточных уплотнений в газотурбинных двигателях для гражданской и военной авиации.

В [253] было указано на планы по использованию статических и динамических щёточных уплотнений в двигателеPW5000 (F119) для истребителя F-22 Raptor, а также при модернизациидвигателя F100-PW-229, используемого в истребителях F-15 и F-16.Щёточные уплотнения также предлагались к использованию в реактивных соплах с управляемым вектором тяги для уплотнения стыковсо значительными перемещениями [190].В [122] был представлен анализ потенциальных возможностей длязамены лабиринтных уплотнений на щёточные уплотнения в малоресурсных ГТД. В рамках анализа были выделены 7 позиций, показанныена рис. 2.19: две позиции в тракте компрессора и пять позиций в трактетурбины.

Типичные рабочие параметры уплотнений на данных позициях сведены в табл. 2.6. В качестве наиболее перспективных позиций длязамены в [122] были выделены следующие две позиции: выход из компрессора (позиция B на рис. 2.19) и вход в турбину (позиция C). Данныепозиции характеризуются средними температурами и высокими перепадами давлений.Сравнение эффективности лабиринтных и щёточных уплотнений вприложении к двигателю Д-27 анализируется в [37].В [391] также представлены потенциальные позиции в авиационныхдвигателях, на которых могут быть использованы щёточные уплотнения, включающие в себя камеры подшипников, межкаскадные уплотне962.6. Уплотнительные узлы в АДРис.