Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 6

В [111] были экспериментально исследованы двухступенчатые узлы с неодинаковыми щёточными уплотнениями,отличающимися диаметром проволоки и плотностью упаковки. Продолжительные тесты, включающие многократное изменение нагрузкии работу при эксцентричном положении вала, показали в целом положительные результаты по расходу для тандемной конфигурации (дващёточных пакета, расположенные в одной обойме) и конфигурации, состоящей из двух отдельных ЩУ.В [145] обсуждается опыт использования щёточных уплотнений впаровых турбинах фирмы Siemens.

На базе результатов измерений износа при переменных режимах работы, а также результатов ресурсныхиспытаний (наработка до 20 000 часов) была разработана аналитическая модель для оценки ухудшения расходной характеристики щёточного уплотнения во времени. Оценка износа проводилась по фотографиям, полученным с помощью электронного микроскопа.

Волокна, расположенные в передней части пакета, демонстрировали более сильныйизнос, чем волокна, расположенные ближе к опорному кольцу. На рядеволокон были также обнаружены сколы.Теоретическая модель для оценки деградации характеристик обобщённого уплотнения с податливыми элементами на этапе проектирования описывается в [220].Исследования по функционированию щёточных уплотнений также проводились для нетрадиционных уплотняемых сред: гелий и291.3.

Щёточные уплотненияуглекислый газ [113], жидкий азот [108; 287] и жидкий водород [108].В [108; 276] анализировались возможности использования щёточныхуплотнений в турбонасосных агрегатах (в [276] в приложении к турбонасосу двигателя RS-68).

Сравнение между щёточным и щелевым уплотнениями, имеющими одинаковую длину, показало в [113], что щёточноеуплотнение способно уменьшить расход в 3.9. . . 9.5 раз. В [113] такжебыло отмечено, что использование смазочного материала в пакете щёточного уплотнения позволяет дополнительно уменьшить утечки.Ряд исследований показали, что характеристики щёточных уплотнений во многом зависят от геометрии защитного и опорного колец обоймы уплотнения [96; 280; 393; 399], а также от крепления щёточного пакета [325]. Изменение зазора между щёточным пакетом и кольцами, нанесение канавок или отверстий на кольца могут в значительнойстепени изменять локальный перепад давления в пакете и, тем самым,влиять при эксплуатации на рабочую толщину пакета, величину свободного радиального зазора, деформацию волокон, жёсткость и гистерезис.Цорн [399] изучал расходные характеристики, распределения давлений и скоростей, остаточный радиальный зазор и гистерезис различных щёточно-лабиринтных уплотнений.

Модификации обоймы и пакетаЩУ были исследованы экспериментально. Максимальное уменьшениерасхода в рассмотренных щёточно-лабиринтных уплотнениях по сравнению с лабиринтным уплотнением составило 76%.В [325] были представлены экспериментальные результаты по изучению эффекта раздвоения (раскрытия) пакета щёточного уплотненияи влияния осевого угла наклона волокон на расходную характеристику.Осевой угол отклонения волокон схематично показан на рис.

1.3. Отклонение волокон в осевом направлении от номинального положенияможет возникнуть при сборке уплотнения или задаваться конструктивно. Экспериментальные исследования показали, что эффект раздвоения щёточного пакета определяется силой зажима волокон при механическом способе крепления волокон в пакете. В [325] был проведён анализ влияния данных эффектов в условиях перепада давления на расход,толщину пакета и закрытие свободного радиального зазора.Работа по исследованию влияния осевого угла наклона в ЩУ была301.3. Щёточные уплотненияРис. 1.3. Осевой угол отклонения волокон в щёточном уплотнении [325]продолжена в [323; 324]. Одним из результатов в [324] было наблюдение волнообразных колебаний волокон в пакете щёточного уплотнения.В [323] была предложена конструкция щёточного уплотнения с подпружиненным опорным кольцом для управления осевым зазором.1.3.2.

Механические и тепловые характеристики щёточныхуплотненийБольшое количество работ посвящено механическим характеристикам щёточных пакетов, зависящим от рабочих параметров (перепад давления и скорость вращения вала). Механические свойства набора волокон, а также механическое взаимодействие пакета с обоймойуплотнения и валом являются важнейшими характеристиками, которые определяют работоспособность щёточного уплотнения. Механическое поведение набора волокон характеризуется такими основными эффектами как гистерезис и увеличение жёсткости щёточного пакета.Ряд исследований были посвящены силам, возникающим в волокнах щёточных уплотнений [103; 139; 210; 340; 342].

В большинстве работмеханические силы или жёсткость измерялись в условиях статическихэкспериментов. В [152] приведено сравнение контактных сил, измеренных в статических и динамических условиях.В [210] описаны динамические эксперименты для исследования эффектов гистерезиса и увеличения жёсткости пакета щёточного уплотне311.3. Щёточные уплотненияния, в которых радиальным смещениям подвергался статор.

Результатыпоказали отрицательное влияние указанных двух эффектов на работоспособность щёточного уплотнения, т. к. они приводят к увеличениюрасхода и износа.Работа [340] посвящена теоретическому и экспериментальному анализу сил, возникающих при контакте щёточного пакета с поверхностьювала.

Было представлено влияние различных параметров (угол наклона волокон, величина натяга, коэффициент трения и др.) на контактныесилы. Экспериментальные и численные результаты были получены безучета аэродинамической нагрузки. Угол наклона волокон был идентифицирован как важный параметр, оказывающий значительное влияниена контактную силу и изгибные напряжения (наибольший угол наклонаприводил к наименьшей силе).В [139] была представлена полуэмпирическая модель для определения механических сил в щёточном пакете на основе данных измеренийи теоретической модели, в которой волокна рассматривались как балкис защемлённым концом.Результаты измерений жёсткости пакета щёточного уплотнения вусловиях высокого давления на стенде с покоящимся валом приведеныв [342]. Жёсткость определялась из анализа заданного движения модельного вала в радиальном направлении и возникающей при этом силы. Сила записывалась с помощью динамометрического датчика.В [103] приведены результаты по исследованию угла наклона волокон на контактное давление.

Были протестированы два щёточныхуплотнения с различным углом наклона волокон. Сравнение результатов показало, что балочная модель занижает значения контактного давления, тогда как трёхмерная модель завышает значения контактногодавления. На базе полученных результатов были предложены выражения для оценки контактного давления в щёточных уплотнениях.В [63; 80; 140; 282; 355] исследуются тепловые эффекты в щёточных уплотнениях. Для измерения температуры используются какправило термопары, установленные в обойме уплотнения или на внутренней стенке тонкостенного вала.

Температура в контактной зоне может быть также определена бесконтактными оптическими методами с321.3. Щёточные уплотненияиспользованием инфракрасных камер. Основной проблемой при этомявляется определение коэффициента излучаемости поверхностей валаи волокон, а также исключение помех от излучения других источников. Эти проблемы решаются с помощью процедуры калибровки илииспользования красок, которыми покрываются соответствующие элементы статора и ротора.В [140] приведены результаты измерения температуры на стенде свращающимся до 40 000 об/мин валом при отсутствии перепада давления через ЩУ. Исследования проводились для контактного уплотнения.Температура измерялась с помощью инфракрасной камеры и термопар.Также были выполнены расчёты с помощью конечно-элементной модели, результаты которых показали согласование с экспериментальнымиданными. При отсутствии течения уплотняемой среды через щёточныйпакет распределение теплового потока между материалами вала и волокон было одинаковым.В [282] описан стенд для изучения тепловых эффектов в контактном щёточном уплотнении.

Стенд имеет следующие рабочие параметры: перепад давления до 0.9 МПа, окружная скорость на поверхностивала может изменяться от 0 до 190 м/с, отрицательный зазор щёточного уплотнения может изменяться в пределах от 0 до 0.5 мм. Измеряемоес помощью сетки термопар распределение температуры на поверхноститонкостенного вала использовалось для расчёта тепловых напряженийв материале методом конечных элементов.