Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 5

Динамическими коэффициентами массы часто пренебрегают при анализе газовых уплотнений. Однако, как показывает ряд работ, массовые коэффициенты могут принимать достаточно высокие значения в определённых случаях (жидкостные уплотнения, высокие давления и скоростивращения) и, поэтому, должны рассматриваться при оценке влиянияуплотнений на динамику ротора. Также определённые типы уплотнений (например, щелевые уплотнения с демпферными карманами) могутвыявлять явную зависимость динамических коэффициентов от частотывозбуждения.Экспериментальные методы для определения динамических коэффициентов жёсткости и демпфирования уплотнений могут быть разделены на три категории: измерение эпюры давления в камерах уплотнения [219; 234; 255]; использования вибрационных стендов [274; 284];и применение магнитных подшипников в качестве возбудителя колебаний [218; 233; 365; 378].Обзор работ по экспериментальному определению динамическиххарактеристик опор скольжения и уплотнений приведён в [353].

Экспериментальный стенд для изучения расхода и динамических коэффициентов лабиринтных уплотнений, в котором используются два активныхмагнитных подшипника, описан в [218]. В качестве примера параметрыстенда из [218] приведены в табл. 1.1.Аэродинамические силы, возникающие в лабиринтных уплотнени-241.2. Бесконтактные уплотненияТаблица 1.1. Параметры экспериментального стенда из [218]Максимальная скорость вращения вала15000 об/минМаксимальная входная закрутка потока газа170 м/сДиапазон частоты возбуждения вала±400 ГцМаксимальное давление на входе в уплотнение70 барДиаметр уплотнения130.44 ммРадиальный зазор в лабиринтном уплотнении0.1 ммЧисло гребешков в уплотнении4ях, также могут провоцировать аэроупругие незатухающие колебанияэлементов уплотнения (флаттер уплотнения) [69].Особым видом колебаний валов, возникающих из-за тепловых эффектов в подшипниках скольжения и уплотнениях, являются спиральные колебания [159; 223; 260; 386].

Спиральные колебания относятся квынужденным синхронным колебаниям ротора вследствие неравномерного нагрева поверхности вала в зазоре подшипника или уплотнения.Спиральные колебания могут привести к динамической неустойчивости. В литературе различают два эффекта, связанных со спиральнымиколебаниями: эффект Ньюкирка и эффект Мортона. В эффекте Ньюкирка возникновение спиральных колебаний связано с контактом вращающихся и неподвижных деталей опорного или уплотнительного узла.Эффект Ньюкирка характерен для щёток турбогенераторов и уплотнений.

В эффекте Мортона неравномерный нагрев вала происходит засчёт вязкостной силы смазочного материала подшипника скольжения.Возникновение спиральных колебаний в реальных машинах описано в [156; 157; 159; 322]. В [156; 157] разобран конкретный примервозникновения спиральных колебаний в турбогенераторе из-за тренияв угольных щётках. Решением, которое сделало спиральные колебанияустойчивыми в рассмотренном случае, оказалось использование подшипника скольжения с самоустанавливающимися сегментами.

В [322]были описаны наблюдаемые спиральные колебания роторной системыкриогенного турбодетандера. В одном случае источником спиральныхколебаний являлись подшипники скольжения с самоустанавливающимися сегментами, в другом – лабиринтные уплотнения.251.3. Щёточные уплотнения1.3. Щёточные уплотнения1.3.1.

Обзор технологии щёточных уплотненийЩёточные уплотнения (см. рис. 1.2) являются самыми распространенными на настоящий момент уплотнениями с податливыми элементами, применяемыми в турбомашинах. Интерес к щёточным уплотнениямвозник в 80-х годах XX-ого века, когда они начали рассматриваться вкачестве альтернативы лабиринтным уплотнениям в авиационных газотурбинных двигателях.В одной из первых работ по щёточным уплотнениям Горелов с соавторами [18] экспериментально показал, что расход щёточного уплотнения может быть в шесть-восемь раз меньше расхода лабиринтногоуплотнения с восемью гребешками на роторе.

В [18] сравнивались различные геометрии щёточного уплотнения, изготовленного из проволокидиаметром 0.1 мм, упакованной с плотностью 90 волокон на мм2 . После 25-часового эксперимента износ на поверхности вала составил около0.06 мм. В экспериментах Фергюсона [172] щёточное уплотнение уменьшило расход на 90% по сравнению с лабиринтным уплотнением с радиальным зазором 0.7 мм.Использование щёточных уплотнений в газотурбинных двигателях освещается в [6; 25; 49; 54; 74; 89; 122; 306].В [122] был представлен анализ использования щёточных уплотнений в качестве замены лабиринтным уплотнениям в малоресурсныхГТД.

Экспериментальные исследования были проведены для различных щёточных уплотнений в одиночной постановке, а также в наборе, состоящим из максимум трёх щёток, при давлениях до 1.3 МПа итемпературах до 316∘ С. Скорость вращения вала составляла 35 000 об/мин, что соответствовало линейной скорости 237 м/с. Испытательныйцикл включал в себя 10-ти минутную работу на максимальной скоростивращения и 35-ти минутную работу на 85% от максимальной скоростивращения.

Результаты, представленные для расхода при переменной нагрузке, подтвердили значительное преимущество щёточных уплотненийнад лабиринтными. Использование нескольких щёточных пакетов поз-261.3. Щёточные уплотненияРис. 1.2. Типичное щёточное уплотнениеволило увеличить допустимый максимальный перепад давления черезуплотнение, а в случае одинакового перепада дополнительно уменьшитьрасход. После завершения экспериментальных исследований был проведён анализ износа уплотнений.В [306] было представлено сравнение лабиринтного уплотнения сдесятью гребешками и щёточного уплотнения, состоящего из двух пакетов, которые были установлены в компрессоре прототипа газотурбинного двигателя T-700. Тесты были проведены для 46-часовой работыпри скорости вращения 43 000 об/мин.

Расход через щёточное уплотнение был в 2.5 раза меньше расхода через лабиринт. При этом величина уменьшения удельного расхода топлива для агрегата с щёточными уплотнениями составляло до 5%. Ресурс щёточного уплотнения былоценён в 500. . . 1000 часов до увеличения расхода через уплотнение из-заповышенного износа волокон щёточного пакета. Похожее исследованиеописано в [89], где были также приведены результаты по функционированию щёточного уплотнения с малой гистерезисной характеристикойпри эксцентричном положении вала и на переходных режимах.В [180] обобщён опыт фирмы GE по использованию технологии щёточных уплотнений для газовых турбин.

В [214] описано внедрение фирмой Ansaldo Energia щёточных пакетов в уплотнительных узлах межкаскадных полостей стационарной газовой турбины.В [99; 110; 146; 179] были представлены результаты модельных экспериментов по изучению локальных характеристик течения в щёточном уплотнении. В [99; 110] описан модельный стенд для линейногощёточного уплотнения с диаметром волокна 2.0 мм. Визуализация картин течения в щёточном пакете была выполнена с использованием частиц оксида магния и лазерной подсветки. На основе результатов экспе271.3. Щёточные уплотненияриментов была проведена классификация типичных форм течения между волокнами ЩУ. Экспериментальные данные также использовалисьдля разработки теоретической модели уплотнения, в которой пакет рассматривается как пористая среда.

Сравнение результатов расчётов с измерениями для реальных щёточных уплотнений выявило высокое расхождение (до 30%) при малых перепадах давления, однако тенденция вобщем случае была предсказана корректно.Другие модельные эксперименты над образцом щёточного уплотнения, выполненного в масштабе 5:1, были описаны в [146]. Параметрыстенда были выбраны с использованием теории подобия. Сравнение срасчётами показало, что теоретическая модель, в которой щётка рассматривается непрерывной пористой средой, выдает неточное падениедавления в щётке.

Расхождение между теорией и экспериментом былоболее заметным для контактного щёточного уплотнения.В [179] исследовался типичный для щёточных уплотнений эффектопускания волокон на вал при возникновении перепада давления черезпакет. Был изготовлен модельный экспериментальный стенд для изучения поведения широко расставленных, гибких полосообразных и трубчатых (с диаметром 4.0 мм) волокон в аэродинамической трубе.

Результаты показали, что для опускания волокон не требуется деформациипакета; сила давления являлась доминирующей силой, и аэродинамических сил, возникающих при малых перепадах давления, было уже достаточно для возникновения данного эффекта. Анализ был дополненконечно-элементной моделью для расчёта деформации волокон.В [132] выводы по эффекту опускания волокон делались на основе экспериментальных значений эффективного зазора и крутящего момента, а также с использованием конечно-элементной модели сегментащёточного пакета.Кроме газовых турбин, щёточные уплотнения также находят своёприменение в паровых турбинах [109; 212; 257; 341].

ИспользованиеЩУ в приложениях с увеличенными интервалами обслуживания выдвинуло на первый план вопросы долговечности. Опубликованные работы на эту тему содержат неоднозначные результаты [74; 89; 108; 145;180; 212; 263].281.3. Щёточные уплотненияОпыт фирмы GE по использованию щёточных уплотнений в газовых и паровых турбинах приведён в [74; 109]. Осмотр щёточных уплотнений после 24 000 часов работы в паровых турбинах различной мощности (от 20 МВт до 900 МВт) выявил в большинстве случаев их отличноесостояние [74].Результаты испытаний на долговечность при высоких температурах и давлениях водяного пара (перепад давления до 3.0 МПа), приведённые в [263], продемонстрировали положительные результаты дляодиночного щёточного уплотнения, но неустойчивое поведение уплотнительного узла, состоящего из четырёх ЩУ. Ресурсные испытания продолжительностью до 6 000 часов показали увеличение расхода вследствие абразивного износа.