Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 4

Подробный анализ технологии щёточных уплотненийприведён в главе 2.Основная часть данной главы посвящена обобщению результатовпроведённого обзора литературы в области уплотнений и смежных темах. Приведённый обзор не претендует на полноту, т. к. число публикаций по данной теме очень велико, и каждый год выходят десятки новых181.1. Роль уплотнений в роторных машинахработ. При проведении обзора акцент был поставлен на научные публикации, непосредственно соприкасающиеся с предметом исследования.Некоторые результаты обзора были опубликованы в [45; 46].Современное состояние технологий опорных и уплотнительных узлов освещено в ряде справочных изданий [176; 192; 349].

Существуеттакже целый ряд специализированных книг по бесконтактным уплотнениям [9; 12; 16; 17; 29; 35; 36; 64]. Общим вопросам динамики роторов,включая влияние уплотнений, посвящены монографии [1; 39; 72; 118;193; 230; 360; 371; 382].Среди регулярно проводимых международных научно-техническихконференций, покрывающих темы по уплотнениям и динамике роторов,можно отметить следующие: AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint PropulsionConference, ASME Turbo Expo, IFToMM International Conference on Rotor Dynamics, IMechE International Conference on Vibrations in RotatingMachinery, International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Texas A&M University Turbomachinery Symposium.Проведённый анализ публикаций по щёточным уплотнениям, используемым в турбомашиностроении, позволяет вывести нижеследующие основные заключения.∙ Щёточные уплотнения значительно превосходят стандартные лабиринтные уплотнения в минимизации утечек.∙ Наличие подвижных упругих элементов (волокон) делает поведение щёточного уплотнения довольно сложным, зависящим от геометрических параметров, а также механического и аэродинамического состояния уплотнительного узла.∙ Правильный выбор конструкции щёточного пакета и рабочих параметров уплотнительного узла позволяет ограничить износ волокон.

В ряде работ отмечаются возможные проблемы с неустойчивым поведением щёточных уплотнений и с неудовлетворительнойвоспроизводимостью рабочих характеристик.191.1. Роль уплотнений в роторных машинах∙ Динамические характеристики щёточных уплотнений и их влияние на динамику ротора являются практически неисследованнойобластью. Небольшое число лабораторных исследований демонстрировало в целом благоприятные динамические коэффициентыжёсткости и демпфирования щёточных уплотнений. Однако опытиспользования щёточных уплотнений в натурных условиях говорит о возможном ухудшении динамики системы.∙ Волокна щёточного уплотнения изготавливаются, как правило, изжаропрочных сплавов.

Применение синтетического волокна позволяет достигать дополнительное уменьшение утечек, связанное сиспользованием нити меньшего диаметра. Однако недостаточнаяжёсткость набора синтетических волокон затрудняет восстановление пакета после деформации. По сравнению с металлическимищёточными пакетами синтетическое волокно имеет ограничениена максимально допустимую температуру.∙ При моделировании широкое распространение получили подходы,в которых щёточный пакет представляется как пористая среда.Главным ограничением при этом является пренебрежение механическими характеристиками волокон.

Использование связанныхмоделей механики и аэродинамики с дискретной структурой щёточного пакета осложняется большим количеством волокон в типичном щёточном уплотнении.В настоящее время также идет активная работа по разработке ианализу систем пассивного и активного контроля и управления за зазорами в трактах двигателей летательных аппаратов (ДЛА) и другихтипах турбомашин. Использование конструкций уплотнений с податливыми элементами в таких системах является одним из перспективныхнаправлений.201.2.

Бесконтактные уплотнения1.2. Бесконтактные уплотнения1.2.1. Лабиринтные уплотненияЛабиринтные уплотнения являются наиболее широко распространёнными бесконтактными уплотнениями в турбомашиностроении. Демонстрируя хорошие расходные характеристики, лабиринтные уплотнения могут отрицательно влиять на динамику роторной системы.Расходные и динамические характеристики лабиринтных уплотнений изменяются в широких пределах в зависимости от геометрии и размеров лабиринта [79; 183; 236; 308].Как показано в [308], изменением размера ступенек, длины камери толщины гребешков можно уменьшить расход лабиринтного уплотнения на 60%. .

. 79%. В [79] увеличение длины гребешков и расположение их под углом 60∘ к статору привело к снижению расхода на 19%.Представленное в [227] исследование ряда конфигураций лабиринтныхуплотнений с различными зазорами показало, что ступенчатое уплотнение демонстрирует наибольшее уменьшение утечек по сравнению с прямым лабиринтом при относительно больших зазорах.

Авторы сделалив [227] вывод, что для малых зазоров использование ступенчатых уплотнений не является целесообразным из-за незначительного выигрыша врасходе и более высокой стоимости изготовления.Меры по снижению расхода лабиринтных уплотнений могут зачастую привести к ухудшению их динамических характеристик. Лабиринтные уплотнения с дополнительными уступами (ступеньками) демонстрируют, как правило, улучшенную расходную характеристику, ноимеют высокий коэффициент перекрёстной жёсткости [94]. Короткиелабиринтные уплотнения с уступами часто демонстрируют отрицательный коэффициент прямой жёсткости [381].

Положительные значенияпрямой жёсткости в таких уплотнениях могут быть достигнуты перемещением обруча на валу, образующим уступ по отношению к гребешкууплотнения [94]. Негативную прямую жёсткость могут иметь и сквозныелабиринтные уплотнения с большим числом гребешков [284]. Ступенчатые лабиринтные уплотнения с диффузорным каналом могут демон-211.2. Бесконтактные уплотнениястрировать улучшенные динамические характеристики по сравнению соступенчатыми уплотнениями, имеющими конфузорный или прямой канал [319].В [120] было экспериментально продемонстрировано, что расположение гребешков на роторе приводит к увеличению коэффициента перекрёстной жёсткости по сравнению с уплотнением с гребешками на статоре.

В [232] приведено обобщение результатов нескольких экспериментальных исследований лабиринтных уплотнений, было представлено впроцентном выражении влияние числа гребешков и размеров камер накоэффициенты жёсткости и демпфирования газовых уплотнений.1.2.2. Сотовые, лунковые и другие типы демпферныхщелевых уплотненийЩелевые уплотнения относятся к важному классу бесконтактныхуплотнений простой геометрии, которые часто используются в быстроходных машинах, таких как турбонасосы.В [174; 175] было показано, что конфузорный зазор гладкого щелевого уплотнения теоретически может увеличить жёсткость и уменьшить демпфирование по сравнению с цилиндрическим зазором.

Результаты, представленные в [119], подтвердили увеличение жёсткости в конфузорном зазоре теоретически и экспериментально. Согласно другимопубликованным исследованиям, диффузорный зазор может оказыватькак положительный [62; 154], так и отрицательный эффект [245] на динамику системы.Для улучшения демпфирующих свойств щелевых уплотнений были предложены сотовые уплотнения, лунковые уплотнения с различнойструктурой выемок1 , а также щелевые уплотнения с демпферными карманами2 [121]. Примеры лункового уплотнения и уплотнений с демпферными карманами приведены на рис.

1.1а и рис. 1.1б соответственно.Использование сотовых структур и других сеток с выемками на поверхности статора в щелевых и лабиринтных уплотнениях позволяет12Hole-pattern sealPocket-damper seal221.2. Бесконтактные уплотненияа) Сегмент лункового уплотнения [97]б) Уплотнения с демпферными карманами [183]Рис. 1.1. Примеры демпферных щелевых уплотненийулучшить динамические характеристики узла за счёт гашения закрутки потока газа. Также такие конструкции уплотнений в ряде случаевпозволяют уменьшить расходные характеристики (см., например, [38]).Анализ щелевых уплотнений, приведённый в [136], показал, что щелевое уплотнение с сеткой выемок имеет гораздо меньший коэффициентчастоты прецессии Ω = /( ) (см. ур.

(4.35)), чем щелевое уплотнение с гладкой поверхностью статора. В [154] использование диффузорного канала в cотовом уплотнении позволило увеличить демпфирующую способность. Однако приведённые положительные эффекты неподтверждаются для общего случая: в ряде работ наличие сот негативно сказывалось как на расход (см., например, [75]) так и на динамические характеристики (в частности, повышение перекрёстной жёсткостипо сравнению с гладким уплотнением [216; 284]).В зависимости от типа уплотнения с демпферными карманами радиальный зазор может выполняться либо диффузорным, либо постоянным [161].

Для упрощения конструкции диффузорность канала может достигаться за счёт выполнения пазов на соответствующих гребнях уплотнения. Уплотнения с демпферными карманами демонстрируют максимальную демпфирующую способность среди щелевых уплотнений, однако могут привести к увеличению расхода [235; 361].231.2. Бесконтактные уплотнения1.2.3. Динамика бесконтактных уплотненийБесконтактные уплотнения могут в значительной степени влиятьна динамику роторной системы. Томас [395], Ломакин [33] и Алфорд [76]первыми опубликовали работы по исследованию самовозбуждающихся колебаний роторов вследствие аэродинамических сил в уплотнениях.В зарубежной литературе по этому вопросу можно встретить термины«сила Томаса-Алфорда», «сила Алфорда», «эффект Ломакина».Распространенный подход для описания динамики бесконтактныхуплотнений заключается в использовании линейной или квадратичнойупруго-демпферной модели по аналогии с концепцией динамических коэффициентов смазочного слоя подшипников скольжения [247].