Диссертация (785882), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Проектирование узлов с щёточнымиуплотнениями7.5.1. Вопросы трибологии щёточных уплотненийЩёточные уплотнения в зависимости от конструкции и рабочихусловий могут находиться в процессе эксплуатации в контакте с ротором. Поэтому важными являются трибологические характеристики узлов с щёточными уплотнениями.3877.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениямиВажным условием применения перспективных щёточных уплотнений является сохранение улучшенных характеристик на всём протяжении периода эксплуатации.Процесс эксплуатации щёточного уплотнения, имеющего нулевоймонтажный зазор или устанавливаемого в натяг, начинается с приработки волокон щёточного пакета к поверхности вала.
После начальнойприработки расходная характеристика щёточного уплотнения на стационарном режиме должна оставаться постоянной. Изменения величины расходной характеристики (в терминах реального или приведённогорасхода, эффективного зазора) являются индикаторами ухудшения состояния уплотнительного узла и потери производительности.
При этомосновной причиной потери производительности правильно сконструированного щёточного уплотнения является запланированный износ податливых волокон.К основным повреждениям общего характера в уплотнительных узлах турбомашин относятся следующие: коррозия покрытия сопряжённых поверхностей, вызванная уплотняемой средой (например, электрохимическая коррозия баббитового покрытия); засорение твёрдыми взвешенными частицами; скалывание гребешков и податливых элементоввследствие контакта с сопряжённой поверхностью; фреттинговый износ; повреждения при сборке (характерно для эластомерных уплотнений).
Также к повреждениям можно отнести запланированный износэлементов уплотнения.При использовании правильной конструкции уплотнения и эксплуатации на допустимых рабочих режимах основными типами повреждений щёточных уплотнений являются: повреждения при изготовлении имонтаже, неконтролируемый износ и повышенное тепловыделение, сколы волокон в пакете во время эксплуатации при возникновении нештатных ситуаций.При применении щёточных уплотнений для уплотнения воздушномасляной среды в камерах подшипников качения отдельным вопросомявляется проблема коксования масла при повышении температуры в узле.
Также возможные осколки металлических волокон вследствие износа или нештатных ситуаций представляют собой потенциальную опас3887.5. Проектирование узлов с щёточными уплотненияминость для подшипников.Температура смазочного масла лежит обычно в умеренных пределах (максимальная температура не превышает 250∘ С), поэтому подходящими кандидатами для таких позиций в двигателе являются щёточные уплотнения с волокнами, изготовленными из синтетических материалов, например, арамида.Выбор материалов микропроволоки при изготовлении щёточныхуплотнений и покрытия вала должен выполняться с учётом рабочихусловий в узле щёточного уплотнения (максимальные уровни температур и линейных скоростей, свойства уплотняемой среды).Волокна щёточного пакета и контактная поверхность вала образуют трибопару.
Основными требованиями к характеристикам трибопарыдля обеспечения надежности и долговечности являются улучшенное сопротивление окислению и износу, сохранение упругих и прочностныхсвойств волокон при высоких температурах, а также низкое тепловыделение при возникновении интенсивного контактного взаимодействияиз-за повышенных колебаний вала.В качестве критериев при выборе материалов уплотнительного узла могут служить следующие свойства [144]: точка плавления, пределпрочности на растяжение, твёрдость, сопротивление окислению, сопротивление ползучести, сопротивление усталости. Важным фактором также является возможность изготовления из выбранного материала микропроволоки заданного диаметра.Свойствами, подходящими для изготовления щёточных уплотнений, обладают жаропрочные сплавы на основе кобальта, никеля, хромаи вольфрама.
Как отмечалось выше, широкое распространение при изготовлении металлической микропроволоки для щёточных уплотненийполучил сплав Haynes 25.Также различными исследователями проводились работы по тестированию альтернативных сплавов для изготовления щёточных пакетов,таких как Haynes 214, Inconel 718, Alloy A и др. (см. [144; 195; 335]).В качестве одного из выводов в [144] было отмечено заметное повышение коэффициента трения для сплавов на основе кобальта (в частности,сплава Haynes 25) при высоких температурах (> 400∘ С).
Лучшее со3897.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениямипротивление окислению при температуре 1038∘ C среди тестированныхсплавов в [144] продемонстрировал сплав Alloy A (сплав на основе никеля, хрома и алюминия). Волокна, изготовленные из сплава Alloy A ипротестированные в паре с покрытием из карбида хрома, также показали лучшие характеристики в тестах на износ. Однако, следует ещё разотметить, что в настоящее время микропроволока в коммерчески доступных щёточных уплотнениях изготавливается стандартным образомиз сплава Haynes 25.При выборе трибопары важным является обеспечение контролируемого износа, т.
е. когда удаление материала при износе преобладает длявыбранной компоненты трибопары. В случае щёточных уплотнений дляупрощения и уменьшения стоимости ремонта двигателя является желательным, чтобы возможному износу подвергались лишь волокна, а неповерхность вала. Результаты ряда исследований показали, что желательное поведение трибопары при износе может быть достигнуто в случае использования сплава Haynes 25.Описанные в открытой литературе попытки использования отечественного жаропрочного сплава ЭИ708А-ВИ для изготовления волоконщёточных уплотнений не привели к желаемым результатам [68].
В [68]также было отмечено, что другие отечественные сплавы с подходящими свойствами не выпускаются в виде микропроволоки необходимогодиаметра (< 0.1 мм).Для уменьшения износа элементов трибопары и повышения долговечности щёточного уплотнения широко используются специальныепокрытия, наносимые на поверхность вала.В качестве материалов покрытий вала могут быть рассмотрены следующие: карбид хрома, карбид вольфрама, оксид хрома, оксид алюминия, а также покрытия на основе кобальта [144; 248; 335]. Также влитературе описаны тесты с использованием керамических покрытий,покрытий на основе оксида циркония и фторопласта [366], твердых смазочных покрытий [171].
Обобщая приведённые результаты, можно отметить, что в целом покрытия на основе карбида хрома в узлах щёточныхуплотнений показали улучшенные характеристики по сравнению с другими исследованными покрытиями.3907.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениямиИзнос узла щёточного уплотнения возникает при контакте волоконпакета с поверхностью вала. Износ щёточного уплотнения, в первуюочередь, зависит от величины нахлёста волокон, перепада давления, относительной линейной скорости в трибопаре и величине статическогоили динамического эксцентриситета вала.В [289] была предложена следующая упрощённая полуэмпирическая зависимость для определения интенсивности износа волокон щёточного уплотнения:ZZ =d = d,(7.9)где – неизвестный коэффициент пропорциональности, – нормальное контактное давление в трибопаре, – скорость вала, – неизвестный показатель экспоненты для величины скорости, – твёрдость материала, – радиальная жёсткость волокон, – величина нахлёста, –время контакта.
Неизвестные параметры модели должны определятьсяэкспериментальным путём.Экспериментальная оценка износа щёточного пакета, представленная в [306], составила 0.025 мм после 46 часов работы для щёточногоуплотнения диаметром 71 мм, изготовленного из сплава Haynes 25 иустановленного в паре с валом, покрытым слоем карбида хрома толщиной 0.178. . . 0.254 мм.7.5.2. Анализ конструкций и выбор параметров щёточныхуплотненийОбзоры актуальных патентов в области уплотнительной техники и,в частности, щёточных уплотнений для турбомашин регулярно публикуются в журнале Sealing Technology1 . В России работы по щёточнымуплотнениям велись в ОАО «Кузнецов», НПЦ газотурбостроения «Салют», ЦИАМ им.
П. И. Баранова.Оригинальные технологии изготовления щёточных уплотнений спомощью сварного соединения и полностью механического скрепления1http://www.sciencedirect.com/science/journal/135047893917.5. Проектирование узлов с щёточными уплотнениямиволокон описываются в патентах [106] и [398] соответственно. Впоследствии также были предложены и запатентованы модификации указанных методов, а также альтернативные методы изготовления щёточныхуплотнений (см. [52; 87; 104; 107]). Вариант изготовления сегментногощёточного уплотнения запатентован в [328]. Упомянутые в данной работе конструкции модифицированных щёточных уплотнений с опорнымиподушками запатентованы в [209].Сравнивая два способа крепления волокон в щёточном пакете (механическое крепление или сварное соединение), можно отметить следующие преимущества механического крепления [181]: более высокая гибкость технологии изготовления при изменении конструкции щёточногопакета, возможность использования волокон из различных материалов,более малые радиальные размеры получаемого уплотнения, сниженноепредрасположение волокон к осевому изгибу на кромке опорного кольца(а, следовательно, более высокий допустимый перепад давления).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
