Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 8

1.6. Модификации щёточных уплотнений1.4. Другие типы уплотнений с податливымиэлементамиСреди других типов уплотнений с податливыми элементами можно отметить пальчиковые (лепестковые) уплотнения [55; 291; 292; 374],лепестковые уплотнения с лепестками в осевом направлении (пластинчатые уплотнения) [187; 188], листовые уплотнения [141–143; 147; 167;348]. По аналогии с подшипниками скольжения были предложены различные модификации плёночных уплотнений, в которых используетсяэффект аэродинамического всплытия, с упруго-демпферными элементами [201], с постоянными магнитами [376] и с самоустанавливающимися колодками (сегментами) [134].

Также можно отметить лабиринтныеуплотнения с податливыми гребешками [200] и гидростатическое уплотнение, состоящее из относительно малого числа податливых элементовс профилированными подушками [315].Особый упруго-пористый материал «металлорезина» (материалМР), разработка которого началась в 70-х годах XX века в Самарскомгосударственном аэрокосмическом университете, анализируется в [27].Материал МР был предложен для применения в различных областях, втом числе в подшипниковых и уплотнительных узлах.391.4. Другие типы уплотнений с податливыми элементамиИспользование пальчиковых уплотнений3 , которые также способнызначительно уменьшать утечки по сравнению с лабиринтными уплотнениями, но дешевле щёточных уплотнений в изготовлении, позволяет уменьшить удельный расход топлива в газовых турбинах более чемна 1%, а прямые эксплуатационные расходы более чем на 0.5% [292].Результаты, приведенные в работе [292], также показали, что потерина трение в пальчиковых и щёточных уплотнениях сопоставимы.

Нарис. 1.7а показан фрагмент бесконтактного пальчикового уплотнения.Фирма Mitsubishi Heavy Industries опубликовала первый опыт применения листовых уплотнений4 в турбинах [147; 348] (рис. 1.7б). Листовые уплотнения имели ненулевой зазор в холодном состоянии. Длятестирования на ресурс листовое уплотнение было установлено в серийную газовую турбину. После многократных циклов запуска и более 1000 часов работы износ листов оказался незначительным.

Расходчерез листовое уплотнение составил одну треть от расхода через лабиринтное уплотнение с четырьмя гребешками и радиальным зазором0.5 мм. Эффект всплытия листов был наглядно продемонстрирован какразрыв электрической цепи. Было отмечено, что в сравнении с щёточными уплотнениями, листовые уплотнения могут быть использованыдля более высоких перепадов давления вследствие увеличенной осевойжёсткости (до 1.0 МПа по сравнению с 0.5 МПа для щёточных уплотнений [348]).

Однако, листовые уплотнения значительно дороже в изготовлении, чем щёточные уплотнения.Масштабированные прототипы листовых уплотнений были исследованы в [127] с целью изучения влияния различных параметров (число и толщина листов, угол наклона листов, шаг расстановки листов) нарасходную характеристику уплотнения. Были предложены потенциальные направления развития технологии листовых уплотнений.Результаты по расходным и жесткостным характеристикам прототипа листового уплотнения были представлены в [167]. Листовое уплотнение, демонстрирующее отрицательную жёсткость, было рассмотренов [267].

Приведённый экспериментальный и теоретический анализ пока34Finger sealLeaf seal401.4. Другие типы уплотнений с податливыми элементамиа) Пальчиковое уплотнение [291]б) Схема листового уплотнения [348]Рис. 1.7. Примеры пальчиковых и листовых уплотненийзал, что суммарная жёсткость уплотнения может становиться отрицательной вследствие взаимодействия механической и аэродинамическойкомпонент. Теоретический анализ явления отрицательной жёсткости влистовых уплотнениях был выполнен в [213].В [169] был представлен анализ трёх листовых уплотнений с различными зазорами в кольцах обоймы, приводящих к различиям в поведении податливых элементов (слабый и сильный эффект опускания листов, слабый эффект всплытия листов).

Монтажный зазор для листовсоставлял 20 мкм. Полученные результаты в целом подтвердили желаемые характеристики уплотнений для различных давлений и скоростейвращения вала. В [202] описан высокооборотный экспериментальныйстенд для тестирования листовых уплотнений.В [141–143] был приведён анализ недостатков стандартных листовых уплотнений и предложена модифицированная конструкция, в которой лист имеет П-образную форму, а также используется дополнительное промежуточное кольцо5 (рис.

1.8).В качестве главного недостатка листовых уплотнений было отмечено плохо контролируемое изменение радиального зазора в процессе работы (опускание и всплытие листов) из-за сложного влияния осевых зазоров между листами и кольцами уплотнения. Установка промежуточного кольца была предложена в качестве меры пассивного управлениявсплытием и опусканием листов. Были указаны следующие геометрические параметры листовых уплотнений: толщина листа 125.

. . 255 мкм,5Compliant plate seal411.4. Другие типы уплотнений с податливыми элементамиРис. 1.8. Схема модифицированного листового уплотнения [141]угол наклона листа 30∘ . . . 60∘ . Экспериментальные исследования сопровождались численным моделированием малого сегмента уплотнения,включающего три листа, с помощью методов вычислительной гидродинамики. Способ изготовления модифицированных листовых уплотнений, показанных на рис. 1.8, описан в [73].В [186; 187] была предложена конструкция уплотнения с лепестками в осевом направлении6 (см.

рис. 1.9). В качестве достоинств такого уплотнения были названы отсутствие износа при пуске и останове,долговечность, широкий диапазон рабочих давлений, низкая расходнаяхарактеристика, возможность вращения ротора по и против часовойстрелки, а также дешевизна в изготовлении.Результаты экспериментального анализа уплотнений, предложенных в [187], были представлены в [288]. Была подтверждена возможность уплотнений воспринимать радиальные смещения вала. Однакорезультаты продемонстрировали неустойчивую расходную характеристику на малых перепадах давления из-за возникновения колебаний листов. В [288] был проведён анализ возможных причин возникновенияколебаний, а также поиск решения для обнаруженной проблемы.В [188] была предложена дальнейшая модификация уплотнения,показанного на рис.

1.9, включающая гидродинамические подушки.6Pressure actuated leaf seal421.5. Дополнительные технологии контроля за утечкамиРис. 1.9. Схема уплотнения с лепестками в осевом направлении [187]1.5. Дополнительные технологии контроля заутечкамиВ настоящее время также интенсивно разрабатываются технологииактивного и пассивного регулирования зазоров в турбомашинах.Система активного управления зазорами между вращающимися инеподвижными элементами, основывающаяся на охлаждении элементовстатора, была представлена в [191]. На рис. 1.10 приведена иллюстрациярезультата работы данной системы в виде характерной функции зазорав турбине высокого давления авиационного двигателя в процессе взлёта.

Показаны изменения диаметров ротора (лопатки), неохлаждаемого статора и охлаждаемого статора в двух вариантах: при максимально возможном уменьшении зазора и при рациональном использованиипредложенной системы охлаждения. Воздух для системы охлаждениядолжен был отбираться из канала вентилятора и возвращаться в выхлопную зону низкого давления.В [147] описан простой способ активного контроля зазора в лабиринтных уплотнениях. Использовалось сегментированное уплотнение,в котором каждый сегмент подвешен на две пружины. Под действиемдавления сегменты перемещаются в радиальном направлении, закрывая или открывая зазор в уплотнении.В [71] была предложена модификация стандартной технологии ва431.5. Дополнительные технологии контроля за утечкамиРис.

1.10. Влияние охлаждения корпуса ТВД на лопаточный зазор привзлёте [191] (взято из [326])рьируемого зазора в уплотнениях паровых турбин. Принцип стандартной технологии основан на опускании колец уплотнения при возникновении избыточного давления в турбине. В отсутствии давления кольца расходятся под действием установленных пружин. Недостаток такой схемы заключается в возможном повреждении колец уплотненияна переходных режимах работы. Повреждения могут возникнуть, когдакольца находятся в максимально закрытом положении. Авторы предлагают в [71] использовать дополнительный перепускной клапан для ряда уплотнительных колец. Демонстрация предложенной модификациипоказала, что использование двух клапанов является эффективным иэкономически выгодным способом контроля зазора в уплотнениях.В [311] была предложена система пассивного регулирования зазора в лабиринтном уплотнении.

Гребешки в таком уплотнении имеютразличные зазоры: более высокий зазор в области высокого давления,уменьшенный зазор в области малого давления (исследовалась линейная и квадратичная функции изменения зазора), а обойма уплотнениякрепится на упругих пластинах, которые обеспечивают запирающую силу (см. рис.