книги / Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Т. 3 Зубчатые передачи и муфты. Пусковые устройства. Трубопроводные и электрические коммуникации. Уплотне

режиме работы машины, для уменьшения утечки воздуха, автоматически минимизируется торцо­ вой зазор между вращающейся и неподвижной частями уплотнения и они работают на воздуш­ ной (газовой) смазке толщиной 5...10 мкм. В этих бесконтактных уплотнениях невращающаяся часть уплотнения имеет некоторую свободу осевых перемещений для того, чтобы отслежи­ вать изменения (хотя и небольшие ~0,2...2,5 мм) положений вращающейся части уплотнения.

Поверхности уплотнений должны выполнять­ ся исключительно точно и быть зеркально глад­ кими, чтобы не повреждаться от тепловыделе­ ния трением при возможных импульсных заде­ ваниях (в основном при изменении режима ра­ боты). Для этого поверхности должны быть тугоплавкими и в меру антифрикционными.

Под номером 4 представлены графитовые контактные уплотнения. В этих уплотнениях произведение давления Р в контакте на скорость скольжения V не должно превышать 50 МПа • м/с.

Кроме того, сама скорость скольжения не должна превышать 100 м/с, а температура уплотняемой среды должна быть не выше 400 °С (673 К).

Требования к поверхностям уплотнения такие же, как к поверхностям графитовых уплотнений.

Под номером 5 в табл. 13.1 представлены уплотнения поршневыми кольцами, сальниками с металлической набивкой. Кроме ГТД поршне­ вые кольца широко применяют во многих облас­ тях машиностроения, в частности, в поршневых двигателях. Они применяются до средних ско­ ростей скольжения порядка 15...80 м/с и требу­ ют смазки.

Под номером 6 в табл. 13.1 приведены при­ тертые поршневые пары (плунжеры) и сальни­ ки с мягкой набивкой. Применение сальников с мягкой набивкой ограничивается относитель­ ной скоростью скольжения 2...3 м/с и темпера­ турой 20...50 °С (293...323 К).

Под номером 7 представлены уплотнения ко­ жаными манжетами, резиновыми разжимными кольцами и т.п. Применение их при больших давлениях уплотняемой среды ограничено ско­ ростью скольжения не более 1 м/с и темпера­ турой не более 40 °С (313 К). При малых из­ быточных давлениях уплотняемой среды по­ рядка 0,05 МПа и менее манжетные уплотнения могут применяться при более высоких скоростях скольжения (до 20 м/с) при наличии смазки.

В ГТД, которые эксплуатируются в различ­ ных климатических и высотно-скоростных усло­ виях, практически не встречается случаев, где уплотняемая среда не достигала бы темпера­ туры 100 °С (393 К) и более. Поэтому в ГТД

13.2. Уплотнения подвижных соединений

применяются главным образом пять первых уп­ лотнений, представленных в табл. 13.1.

В табл. 13.1 приведены ориентировочные гра­ ницы применения уплотнений по скоростям скольжения, температурам, давлениям, а также по герметичности, причем герметичность оце­ нивается эффективным зазором 8^, о котором будет сказано далее. Здесь лишь заметим, что 8эф в большинстве случаев определяется экспе­ риментально через измеренную утечку.

Гидравлический расчет уплотнений под­ вижных соединений. Расчет утечек через уплотнения подвижных поверхностей с до­ статочной для практики точностью производит­ ся по уравнениям гидравлики для случая исте­ чения жидкостей через отверстия и щели. Как известно, скорость С истечения жидкости из от­ верстия в тонкой стенке:

с Ч 2^ ’ < ш )

где ср - безразмерный коэффициент скорости; Р0, Р]- давление перед и за щелью, Па (1 кг/см2=

=98066,5 Па);

р- плотность истекающей жидкости, кг/м3. Секундный объемный расход жидкости Q, м3/с:

где 8 - безразмерный коэффициент сжатия струи;

/- площадь отверстия, через которое исте­ кает жидкость, м2.

Произведение

называется коэффициентом расхода Цд через от­ верстие. Чем этот коэффициент меньше, тем утеч­ ка Q меньше.

При определении объемного расхода Q жид­ кости через щели применяется та же формула (13.2), что и для отверстия, однако коэффициент расхода при этом зависит уже и от конфигурации и от длины щели. Его обозначим рщ. Тогда

(13-4)

Площадь для круговой щели (рис. 13.11)

где Д р - средний диаметр щели, м; 8 - радиальный зазор (толщина) щели, м.

изводить по эффективным зазорам 8эф, опреде­ ляемым по (13.8).

Примечание. Коэффициент расхода \хт, а значит и эффективный зазор 8эф при тур­ булентном режиме движения, обычно прак­ тически постоянен.

А

обозначения приведены выше, a v - кинемати­ ческий коэффициент вязкости жидкости, мг/с.

Ламинарный рео/сим при подсчете Re по формуле (13.9) имеет место при Re < 500. Можно для расчетного нахождения утечки жидкости при ламинарном режиме пользо­ ваться формулой

р-плотность жидкости, кг/м3;

v-кинематический коэффициент вяз­ кости жидкости, мг/с.

Выше рассмотрены формулы для нахожде­ ния утечек жидкости. Переходим к расчету уте­ чек газов.

Для воздуха или газа учитывают зависимость плотности газа р от давления Р и температуры Т:

Р

где R - газовая постоянная.

Если в уравнение (13.11) подставить среднее давление воздуха Рср = (Р0 + Р,)/2 перед и за уплотнением и температуру воздуха Т0 перед уплотнением, то средняя плотность

Подставив эту среднюю плотность рср в урав­ нение (13.7), получим расчетную формулу для на­ хождения секундной массовой утечки воздуха (газа) через уплотнение подвижных поверхностей:

R-газовая постоянная, Дж/(кг-К) (для воз­ духа R = 287);

Т0 - температура воздуха (газа) перед уп­ лотнением, К.

Формула (13.11) предложена А. Стодолой и но­ сит его имя.

Примечание.Заметим, что скорость воз- духа (газа) в уплотнении не может превысить скорости звука. При трансзвуковом истечении, т.е. тогда, когда (Р, / Р0) < ркр, в формулу (13.13) надо вместо Р] подставлять давление

р= Л,Ркр> где

к- показатель адиабаты. Для воздуха (к=1,4) р^=0,528. Для газа (к=1,29) Р^ = 0,548.

При экспериментальном определении эффек­ тивного зазора в любом воздушном (газовом) уплотнении его ставят на специальную уста­ новку, где произвольно задают давления Р0, Р„ т. е. перед и за уплотнением, температуру воз­ духа Т0 перед уплотнением и измеряют утечку через уплотнение т.

Тогда из формулы (13.11)

т

RTn

В заключение еще раз отметим, что режим течения воздуха (газа) в уплотнениях ГТД прак­ тически всегда является турбулентным и эф­ фективный зазор 5эф можно считать практичес­ ки постоянным при любых расходах т.

13.3. Уплотнение газового тракта меиеду ротором и статором ГТД

Любые утечки воздуха (газа) из газового тракта двигателя, в том числе утечки из области с более высоким давлением в область с мень­ шим давлением, как правило, снижают КПД двигателя.

Утечки бывают необходимыми, с которыми приходится мириться (отбор воздуха на наддув кабины самолета, на обогрев или охлаждение деталей, в том числе самого двигателя, на пе­ репуски, пневмоприводы и т.п.), и паразитными. Паразитные утечки по стыкам неподвижных

деталей (корпуса, фланцы, трубопроводы, кана­ лы и т.п.) недопустимы. Они устраняются соот­ ветствующими затяжками болтов, выбором их количества и, где этого недостаточно, применени­ ем прокладок между стягиваемыми деталями.

Паразитные утечки между роторами и кор­ пусами, к сожалению, имеют место и для их минимизации применяются радиальные, торцо­ вые или комбинированные (радиально-торцо­ вые) уплотнения. Диаметры D уплотнений в ГТД зависят от габаритов двигателя и изменяются от ~ 5 до 1000 мм и более. Зазор 5 изменяется от 3...5 до 300 мкм в зависимости от конст­ рукции и диаметра уплотнения.

В турбомашинах, в том числе в компрес­ сорах и турбинах ГТД, применяются или нахо­ дятся в стадии разработки следующие виды уп­ лотнений типа «воздух-воздух» («газ-газ») между ротором и статором:

-лабиринтные уплотнения;

-щеточные уплотнения;

-скользящие сухие уплотнения газодинами­ ческие;

-скользящие сухие уплотнения газостатические.

Последнее уплотнение доведено и исследо­ вано пока лишь на лабораторном стенде, хотя имеется компоновка одного из американских ГТД с этим уплотнением. Рассмотрим последо­ вательно перечисленные уплотнения между ро­ тором и статором ГТД.

13.3.1. Лабиринтные уплотнения

На рис. 13.12 представлена схема простого лабиринтного уплотнения с числом зубцов Z = 3.

При теоретическом определении коэффици­ ента расхода р канал этого лабиринтного уплот­ нения представляют лишь как совокупность по­ следовательных местных сопротивлений в виде сужений и внезапных расширений.

Коэффициент расхода р, одного местного со­ противления является произведением коэффици­ ента сжатия струи на коэффициент скорости fi[ = еср. Полагая коэффициент сжатия е для газа равным единице, получим

Ц,= 1ф.

Учитывая, что для одного местного сопро­ тивления

1

Ф =

1 4 ’

где £ - коэффициент потерь местного сопротив­ ления [13.2], получим для однозубого уплотнения

1

Hi =

1 4 '

до 300 щетинок. Схема двухрядного щеточного уплотнения показана на рис. 13.18.

Каждый ряд состоит из щеток, зажатых и зак­ репленных между малым и большим плоскими кольцами (пластинами). Между большими плас­ тинами и ротором имеет место зазор (как в обыч­ ном лабиринтном уплотнении и, в случае обрыва щеток, уплотнение превращается в обычное лабиринтное). Щетки загромождают вход в зазор 8 каждой секции (ряда) лабиринтного уплотнения и уменьшают утечки на 20...40 %.

На рис. 13.19 показана более подробно одна секция (ряд) щеточного уплотнения в свободном (без ротора) состоянии. Диаметр ротора (поз. 4) условно показан пунктиром. При сборке пере­ крытие щеток «П» (поз. 5) выбирается и щетки своей упругостью обеспечивают контакт с рото­ ром. Когда изменяются в процессе эксплуата­ ции радиальные и осевые зазоры, щетки легко адаптируются к этим изменениям, обеспечивая непрерывный контакт с ротором.

Свободная длина щетинок (поз. 9), выступа­ ние щетинок (поз. б), диаметр щетинок и их плотность являются основными характеристи­ ками щеточного уплотнения:

-чем больше диаметр щетинок, тем боль­ ший перепад давлений выдерживает уплотне­ ние, но при этом увеличивается утечка;

-выступание щетинок (поз. 6 ), рассматри­ ваемое совместно с диаметром проволочных щетинок, оказывает наибольшее влияние на гер­

метизацию (эффективный зазор) уплотнения. Перепад давлений, выдерживаемый уплотнени­ ем, с увеличением выступания щетинок значи­ тельно снижается;

-удвоение плотности щетинок снижает утеч­ ку приблизительно на 30 %, при этом перепад дав­ лений, выдерживаемый уплотнением, более чем удваивается;

-при уменьшении свободной длины щетинок (поз. 9) выдерживаемый перепад давлений уве­ личивается, а утечка снижается. Однако это при­ водит кувеличению жесткости щеточного уплот­ нения, увеличению тепловыделения от трения ще­ ток по ротору и снижению ресурса щеток. Поэто­ му для каждого уплотнения существует своя оптимальная жесткость щеток и специалисты по уплотнениям тщательно их анализируют.

Щетка

Малое кольцо

Воздушный

поток

Рис. 13.18. Щеточное уплотнение

называют зубом аспиратора или просто аспира­ тором (подсасывателем). На рис. 13.22 показа­ но аспираторное уплотнение, испытываемое для GE Stein Seal.

Главными деталями уплотнения являются две короткие оболочки 7 и 2, называемые для краткости кольцами (рис. 13.22).

Наружное кольцо 2 крепится справа к корпу­ су двигателя. Внутреннее кольцо 7 своим цилин­ дрическим участком входит с большим зазором в кольцо 2, не касаясь его, так как оно центри­ руется относительно кольца 2 несколькими на­ правляющими штифтами 3, закрепленными во фланце кольца 1 и свободно скользящими

восевом направлении в отверстиях левого фланца кольца 2.

Податливыми пружинами 4, надетыми на штифты 3, кольцо 7 на остановленном двигателе отодвинуто на несколько миллиметров от ротора

восевом направлении. Между цилиндрическими участками колец 7 и 2 выполнено радиально­ торцовое уплотнение кольцами поршневого типа (подпружиненные в радиальном направлении браслетной пружиной 5, а в осевом - нескольки­ ми пружинками б, равномерно расположенными по окружности), препятствующее перетеканию уплотняемого воздуха между кольцами 7 и 2 (вторичное уплотнение).

На кольце 7 выполнен зуб аспиратора а, обра­ зующий с ротором радиальное уплотнение с за­ зором 8Л.

Радиальный зазор 8Л остается постоянным при осевых перемещениях 8 кольца 7. В кольце 7 выполнены каналы, через которые по несколь­ ким сотням жиклерных отверстий с подводится воздух с давлением Р0 в собственно газостати­ ческое уплотнение, имеющее радиальную про­ тяженность 1К.

В торцовой уплотнительной части кольца 7 выполнена проточка е, которая многими канала­ ми д соединена с областью низкого давления за уплотнением. Через эту проточку е сбрасы­ вается воздух, просачивающийся по короткой части щели /к из-за зуба аспиратора, а также частично из газостатического уплотнения (из длин­ ной части щели lg).

Утечка воздуха через описанное торцовое уплотнение в основном является по сути расхо­ дом, необходимым для питания газостатическо­ го подшипника. Этот расход (утечка) тем меньше, чем меньше торцовой зазор 8Тв уплот­ нении, который на рис. 13.22 показан условно.

Работает уплотнение следующим образом:

-на неработающем двигателе давление вез­ де равно атмосферному и статорное кольцо 7 отведено от торцовой поверхности ротора в осе­ вом направлении пружинами 4 на несколько миллиметров (2...6 мм);

-после запуска двигателя появляется дав­ ление газового тракта перед зубом аспиратора

аи течение воздуха через зазор 8Л. Возникаю­ щий на зубе а, перепад давлений воздуха действует на кольцо 7 и начинает подсасывать (пододвигать) кольцо 7 к ротору, преодолевая усилия пружин 9\

-кольцо 7 приближается к ротору и образу­ ется щель (с зазором 8Т) между ним и ротором,

что сопровождается нарастанием давления в этой щели (в газостатическом подшипнике /) , питаемой по жиклерным каналам с воздухом

сдавлением 7^;

-уже на режиме малого газа и далее на всех режимах кольцо 7 достигает рабочего положе­ ния, т.е. останавливается у ротора при малень­ ком зазоре 8Т, равном 30...60 мкм в положении статического равновесия, когда силы от перепа-