Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 7

Предварительные измеренияпоказали, что температура на валу в контактной зоне может повышаться на 60∘ С. Распределение термопар на поверхности вала описанногоэкспериментального стенда показано на рис. 1.4.Для мониторинга за состоянием щёточных уплотнений в [312] былопредложено использование волоконно-оптических датчиков, интегрированных в щёточный пакет с целью измерения температуры, нагрузки иизноса. Предварительные результаты, полученные с помощью датчикадиаметром 125 мкм, который был установлен в щёточный пакет, изготовленный из синтетического волокна, подтвердили практическую осуществимость предложенной методики диагностики.

Исследования проводились на стенде с вращающимся валом. Для контроля измерений331.3. Щёточные уплотнениятемпература также определялась с помощью термопар. Результаты, полученные с помощью двух методов, продемонстрировали согласование.1.3.3. Неметаллические щёточные уплотненияПомимо жаропрочных металлических сплавов, волокна щёточныхуплотнений также могут изготавливаться из синтетического или углеродного волокна.

ЩУ, изготовленным из неметаллических материалов,посвящены работы [170; 197; 215; 272; 313; 314; 355].В [197; 314] анализируются щёточные уплотнения, изготовленныеиз упругого арамидного волокна. Главным преимуществом синтетических щёточных уплотнений является дополнительное уменьшение расхода по сравнению с металлическими щёточными уплотнениями. Меньший диаметр синтетических волокон позволяет собирать пакет с более плотной упаковкой. Основными недостатками синтетических пакетов являются их малая механическая жёсткость, а также ограниченныйдиапазон рабочих температур. Авторы представили в [197; 314] анализ жесткостных характеристик и теплового состояния синтетического пакета при отсутствии перепада давления. Недостаточная жёсткостьможет ограничивать восстановление формы синтетического щёточногопакета после процесса деформирования.

С другой стороны, повышенная жёсткость может привести к нежелательному тепловыделению притрении. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном стенде для различных скоростей вращения вала до 22 000 об/мин.Измерения проводились с помощью инфракрасной камеры. Также былапредставлена конечно-элементная модель пакета.Экспериментальный анализ влияния трения при взаимодействиисинтетического щёточного пакета с обоймой на процесс опускания волокон к поверхности вала при возникновении перепада давления приведёнв [313].

Для улучшения характеристики закрытия остаточного зазорабыли предложены дополнительные отверстия в защитном кольце.В [355] приведён экспериментальный сравнительный анализ теплового состояния металлического и синтетического щёточных уплотнений. Уплотнения использовались в приложении к камерам подшипни-341.3. Щёточные уплотненияРис. 1.4. Распределение термопар на поверхности вала стенда [282]ков качения авиационных двигателей. Измерение температуры проводилось с помощью двух пирометров. Один пирометр был интегрированнепосредственно в щёточный пакет с использованием отвода, выполненного из кварцевого стекла.

Второй пирометр использовался для измерения температуры на боковой кромке вала. В [355] подробно описывается процедура калибровки и проверки результатов измерении пирометров. Зоны измерения покрывались специальной краской. Щёточныеуплотнения устанавливались внахлёст величиной 0.2 мм. Температуравоздуха на входе составляла 200∘ С. Скорость вращения вала изменялась в пределах до 19 500 об/мин. Два щёточных уплотнения продемонстрировали различную динамику изменения температуры в контактнойзоне.

Тепловое состояние металлического пакета оказалось более чувствительным к изменениям в скорости вращения вала. Максимальныезначения температуры для металлического пакета достигали 230∘ С.В [215] рассматривалось использование щёточного пакета из углеродного волокна в качестве межвального уплотнения. Авторы провелианализ по выбору волокна, его механическим характеристикам, а такжезатронули вопросы изготовления прототипа уплотнения.В [170] представлено использование синтетического щёточного пакета для уплотнения охлаждающей жидкости в высокомощной электрической машине. Установка ЩУ было продиктовано компромиссоммежду расходом через уплотнение и потерями на трение по сравнению сдругими типами уплотнений, используемыми в таких машинах.

Щёточное уплотнение имеет больший расход, но меньшие потери на трение,чем обычно используемое на данной позиции манжетное уплотнение.351.3. Щёточные уплотнения1.3.4. Динамика щёточных уплотненийДинамические характеристики щёточных уплотнений известны вгораздо меньшей степени, чем динамические характеристики широкоприменяемых лабиринтных уплотнений. Информация о динамическомповедении щёточного уплотнения является, однако, одним из определяющих факторов в оценке работоспособности, надёжности и ресурсащёточного уплотнения.

В [212] отмечалось, что при неправильном применении, щёточные уплотнения с отрицательным или нулевым зазороммогут оказывать негативное влияние на динамику ротора в сравнении слабиринтным уплотнением или щёточным уплотнением с положительным номинальным зазором. Влияние щёточных уплотнений на динамику ротора была названа среди текущих проблем также в [74].В [128] были опубликованы первые результаты экспериментальныхисследований на лабораторном стенде по динамическим коэффициентам жёсткости и демпфирования для узла, состоящего из четырёх щёточных уплотнений с нулевым номинальным зазором, при скоростяхвращения 5000. . . 12 000 об/мин и давлений подачи 0.79. .

. 1.83 МПа. ЩУпродемонстрировали улучшенные расходные и динамические характеристики (более высокая прямая жёсткость и очень малая перекрёстнаяжёсткость) по сравнению с лабиринтным уплотнением. Коэффициенты жёсткости щёточных уплотнений оказались практически нечувствительными к рабочим условиям.Декнер в [381] провёл подробный сравнительный анализ динамических коэффициентов жёсткости и демпфирования короткого лабиринтного уплотнения и комбинированных щёточно-лабиринтных уплотнений.

Щёточные уплотнения использовались в постановке с положительным номинальным зазором. В качестве основных результатов можно отметить, что динамическое поведение щёточно-лабиринтных уплотненийподобно поведению лабиринтного уплотнения. Это было связано с тем,что полного закрытия зазора в щёточном уплотнении не наблюдалосьпри давлениях до 1.0 МПа. Результаты также показали, что положениещётки (перед или после гребешков лабиринта) может существенно влиять на динамические коэффициенты жёсткости и демпфирования. Для361.3. Щёточные уплотнениябольшинства рабочих точек щёточно-лабиринтные уплотнения имелиболее предпочтительные динамические коэффициенты (также вследствие значительно меньшего расхода).Гасцнер в [383] исследовал динамические коэффициенты комбинированных щёточно-лабиринтных уплотнений, в которых щёточный пакет устанавливался с нулевым номинальным зазором.

Результаты продемонстрировали преобладание механических жёсткости и демпфирования контактного щёточного уплотнения в динамических характеристиках исследованных конфигураций.1.3.5. Модификации щёточных уплотненийНаряду со стандартными конструктивными исполнениями щёточных уплотнений (щёточный пакет, упорное и защитное кольцо) былитакже предложены их различные модификации [137; 237; 238; 317].В [237] было описано гибридное щёточное уплотнение с демпферными карманами, которое комбинирует малый расход щёточного уплотнения с увеличенным демпфированием лабиринтного уплотнения с карманами (рис. 1.5). Демпфирующие способности гибридных уплотненийизучались на вибростенде в условиях невращающегося вала.Также было предложено плавающее щёточное уплотнение в комбинации с торцовым уплотнением [238].

В данной конструкции щёточноеуплотнение вращается вместе с валом и находится во всплывшем состоянии по отношению к гидродинамическому торцовому уплотнению.Была предложена методология выбора параметров двух уплотнений.В [137; 317; 318] были представлены конструкции щёточных уплотнений с опорными подушками. Волокна в таком уплотнении не контактируют с валом, а опираются на ряд металлических подушек-сегментов,которые расположены по окружности и соединены со статором черезупругое основание (рис. 1.6а).

Упругое основание податливо в радиальном направлении, но имеет достаточную жёсткость в осевом направлении. Под действием аэродинамических сил в зазоре подушки всплываютпри выходе на рабочий режим и защищают волокна от износа. Использование подушек может привести к уменьшению расхода и потерь на371.3. Щёточные уплотненияРис. 1.5.

Схема гибридного щёточного уплотнения с карманами [237]трение в щёточном уплотнении, а также к уменьшению перекрёстнойжёсткости. Дополнительным преимуществом является возможность использования щёточного уплотнения с подушками в реверсивном режимевращения.Сравнительный анализ расходных характеристик трёхгребешкового лабиринтного уплотнения, стандартного щёточного уплотнения и модифицированного щёточного уплотнения с опорными подушками, приведённый в [316], показал, что модифицированное уплотнение снижаетрасход на 30% по сравнению со стандартным щёточным уплотнением.В [178] была изучена конструкция плавающего щёточного уплотнения с возможностью перемещения всего узла в радиальном направлении (рис. 1.6б). Предотвращение вращения уплотнительного узла былореализовано с помощью штифта.

Экспериментальные результаты, полученные для разных перепадов давления при малой скорости вращения вала, показали, что при малых перемещениях вала поведение предложенной конструкции аналогично поведению стандартного щёточногоуплотнения. При больших значениях эксцентриситета вала (в выполненных экспериментах до 0.8 мм) возможность перемещения уплотнения в радиальном направлении ограничивает величину силы, возникающей при контакте волокон с поверхностью вала. Результаты показали,что величина расхода через уплотнение практически не зависит от величины эксцентриситета вала.381.4. Другие типы уплотнений с податливыми элементамиа) Щёточное уплотнение с опорными подушками [316]б) Схема плавающего ЩУ [178]Рис.