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

да давлений на кольцо, действующие справа на­ лево, автоматически уравновешиваются силой, возникшей в гидростатическом подшипнике и действующей слева направо.

Компания Stein Seal исследовала уплотнение диаметром 36 дюймов (0,9144 м, под необходи­ мые размеры двигателя GE-90) на специальном стенде. Эти исследования показали, что торцо­ вой зазор 5Т (рис. 13.22, где этот зазор показан условно) между ротором и кольцом 1 практи­ чески не зависит от усилий пружин малой жест­ кости 4, а зависит от конкретного конструк­ тивного выполнения уплотнения, радиального зазора SRмежду ротором и зубом аспиратора а, количества и расположения жиклерных отвер­ стий с для подвода воздуха из предлабиринтной области в щель lg, т.е. в гидростатический под­ шипник.

В окончательном варианте конструкции уп­ лотнения Stein Seal получен физический зазор 5Т = 60 мкм, что при полученном коэффициенте расхода р = 0,75 соответствует неплохому эф­ фективному зазору 8^= ц8т = 45 мкм. Относи­

тельный эффективный зазор g

=— = 0,0492 • 10'3.

*D

На рис. 13.23 показана компоновка уплотне­ ния на двигателе GE-90.

Необходимо заметить, что надежность уплот­ нения, несмотря на то, что оно задумано как бес­ контактное, все же будет зависеть от возможных торцовых контактов кольца 1 и ротора. Такие, хотя и очень кратковременные, контакты возможны вследствие перегрузок, при перемене режимов ра­ боты, газодинамических неустойчивостях двига­ теля, когда возможны пульсации давления в газо­ вом тракте и т.п. Эти контакты не должны при­ водить к повреждению уплотнения. Поэтому в уплотнении должны быть подобраны контакти­ рующие со скольжением материалы (или по­ крытия), обладающие хорошими трибологически­ ми характеристиками в условиях работы уплот­ нения (главными из которых являются темпера­ тура и скорость скольжения).

13.3.5. Сравнение эффективностей уплотнений газового тракта меоду ротором и статором ГТД

Корректно сравнивать уплотнения по эффек­ тивным зазорам 8^ можно при одинаковых диаметрах D уплотнений, так как чем больше

диаметр уплотнения, тем эффективный зазор по­ лучается больше, что обусловлено технологиче­ скими возможностями изготовления уплотнений.

На рис. 13.24 представлены исследованные в ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь) три разных типа уплотнений одного диаметра 0,168 м [13.4].

Тип I. Графитовое контактное уплотнение, состоящее из нигранового кольца 2, стальных втулки 3 и пяты 4. Кольцо 2 при работе поджи­ мается давлением воздуха Р своим левым торцовым буртиком к вращающейся пяте 4, а по цилиндрической поверхности еще и силами упругости к втулке 3. Пята 4 охлаждается маслом; для улучшения охлаждения в ней выполнены слегка наклонные радиальные от­ верстия.

Уплотнение предназначено для ограничения проникновения горячего (Т = 600...700 К) воз­ духа с давлением Р = 0,5 МПа в масляную полость роликоподшипника реального двигателя.

Тип II. Графитовое бесконтактное уплотнение, состоящее из тех же деталей, что и уплотнение I, однако у пяты 4 уплотнения II на торцовой повер­ хности выполнено 40 подъемных площадок глу­ биной 10... 15 мкм (называемых камерами Релея), форма которых показана на эскизе II рис. 13.24. Торцовая поверхность кольца 2 выполнена плос­ кой (без буртика).

Благодаря подъемным площадкам Релея между торцами вращающейся пяты 4 и не­ подвижного кольца 2, возникает повышенное вязкостное газодинамическое давление, в ре­ зультате кольцо 2 отходит от пяты 4 и уплот­ нение переходит на режим воздушной (газовой) смазки с толщиной газовой пленки в несколько микрон.

Тип III. Обычное пятизубое лабиринтное уплотнение. Результаты обработки испытаний описанных выше уплотнений I, II и Ш одинакового диаметра (168 мм) представлены в табл. 13.3.

Как видно из табл. 13.3, графитовое уплотне­ ние типа II (т.е. с камерами Релея на пяте) име­ ет эффективный зазор в 2,5 раза меньший, чем в контактном графитовом уплотнении (тип I), и в 6,5 раза меньший, чем в лабиринтном уп­ лотнении.

На первый взгляд необычно, что контактное графитовое уплотнение оказывается менее эф­ фективным, чем бесконтактное графитовое. В действительности это объясняется тем, что графитовое кольцо в контактном уплотнении ерзает и проворачивается, а в бесконтактном - оно неподвижно.

При сравнении уплотнений разных диаметров следует дополнительно использовать значение относительных эффективных зазоров

Тип I

Обычное контактное До 600...700 графитовое

Тип II Бесконтактное

графитовое До 600...700

(с площадками Релея на пяте)

Тип III Обычное

лабиринтное До 600...700 пятизубое уплотнение

1 о о

«100

«100

Глава 13. Уплотнения в ГГД

представляющих собой безразмерные отноше­ ния эффективных зазоров к средним диаметрам уплотнений. Имеющиеся в нашем распоряжении публикации, рекламные и собственные материа­ лы (табл. 13.4) показывают, что на первом месте по эффективности стоит скользящее уп­ лотнение фирмы «Джон Крейн» (8эф = 3,52 мкм, 8эф = 0,0176*10-3), но применение его ограничено температурой 673 К и окружной скоростью 180 м/с. Второе место, но тоже с ограниче­ нием до 700 К, принадлежит скользящему бес­ контактному уплотнению АД (8^ = 8,65 мкм, 8эф = 0,0545*10-3). Третье место (8эф= 45 мкм, 8эф = 0,0492*10 3 ) занимает скользящее аспи­ раторное уплотнение большого диаметра D = = 914 мм, не имеющее существенных ограниче­ ний по применению. Четвертое - с ограниче­ нием по скорости скольжения V <100 м/с за­ нимает скользящее контактное уплотнение АД. Наконец, пятое (8эф= 165,5 мкм, 8эф = 0,27*10'3) и шестое (8эф = 198 мкм, 8эф = 0,495*10-3) зани­ мают соответственно щеточное и лабиринтное уплотнения, преимуществом которых является отсутствие ограничений по потребной темпера­ туре.

Применение скользящих уплотнений для уп­ лотнения газового тракта авиадвигателей сулит большие экономические выгоды. К сожалению, для температур 900... 1000 К и выше и окруж­ ных скоростей 400...450 м/с скользящие уплот­ нения пока не разработаны.

Отметим, что сравнение уплотнений, приведен­ ное в работе [13.2] по параметру

nDP0 ’

который пропорционален эффективному зазору

(обозначения см. в подразд. 13.3.1), в принципе подтверждает распределение мест по эффек­ тивности уплотнений, приведенное в табл. 13.4.

Напомним, что коэффициент расхода JI, а значит и эффективный зазор 8^ = р.8, зависит от числа Рейнольдса Re, однако для реальных условий работы уплотнений, характеризующих­ ся большими числами Re, распределение мест по эффективности уплотнений соответствует приведенному в табл. 13.4.

13.4. Примеры уплотнений газового тракта ГТД

Пример 1. Лабиринтные уплотнения

На рис. 13.25, aw б цифрами показаны лаби­ ринтные уплотнения между ротором и статором двухконтурного двигателя ПС-90А. Лабиринты 7, 2, 3 предназначены для уменьшения перете­ кания из-за соответствующей направляющей лопатки компрессора низкого давления (КНД) на вход этой лопатки. Лабиринты б и 7 служат для этой же цели в КВД. Лабиринты 4 и 8 - закомпрессорные уплотнения КНД и КВД, 9 - лабиринт для уменьшения утечек после закомпрессорного уплотнения 8. Воздух, просо­ чившийся из-за уплотнения 5, сбрасывается в наружный контур. Лабиринты 10 и 11 умень­ шают утечки охлаждающего воздуха, поступа­ ющего на охлаждение диска турбины и лопаток ТВД. Лабиринты 12 и 13 снижают перетечки газа в обход газового тракта.

Лабиринты 14...21 служат для уплотнения газового тракта турбины низкого давления (ТНД), причем лабиринты 18, 79, 20 и 21 вы­ полнены над полочками рабочих лопаток ТНД. Масляные уплотнения представлены в подразд. 13.5.

Над всеми рабочими лопатками комп­ рессора и турбины применены истираемые, при задевании их лопатками, покрытия, обеспе­ чивающие радиальный зазор между лопатками и корпусами при задеваниях.

Для того чтобы уменьшить радиальные за­ зоры между рабочими лопатками и корпусами на основных режимах работы двигателя, кор­ пуса турбины охлаждаются воздухом, отби­ раемым из-за соответствующих ступеней комп­ рессора, что приводит к температурной усадке диаметров корпусов, т.е. к уменьшению зазо­ ров. Охлаждение корпусов автоматически от­ ключается при переходе на низкие режимы работы двигателя.

Аналогично охлаждается корпус компрессо­ ра над тремя последними рабочими лопатками КВД воздухом, отбираемым от КНД.

Пример 2. Уплотнение статорной и роторной частей турбины

Прежде всего отметим, что ликвидация, точ­ нее, сведение к возможному минимуму непроиз­ водительных утечек газа и охлаждающего воз­ духа представляет собой одну из наиболее важ­ ных и наиболее значительных по получаемому эффекту задач при проектировании турбины.

Утечка каждого процента расхода газа в ра­ диальный зазор (как рабочего колеса, так

* Подготовлено для двигателя GE-90.

тракт

Глава 13. Уплотнения в ГТД

и соплового аппарата) приводит к равному по величине (в процентах) уменьшению КПД ступени турбины.

Утечка в проточную часть турбины каждого процента охлаждающего воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления (для дви­ гателя типа ПС-90А), приводит к увеличению удельного расхода топлива на 0,3 % и увеличе­ нию температуры газа перед ротором ТВД на 10 °С. Кроме того, сама утечка охлаждаю­ щего воздуха в основной поток, особенно в об­ ласть больших скоростей (например, в осевой

КПД ступени на каждый процент утечки охлаждающего воздуха.

Рассмотрим схему проточной части ТВД, ротор и статор которой имеют практически все виды уплотнений, применяемых в современных турбинах (рис. 13.26).

Для герметизации стыков деталей ротора и статора от утечек в проточную часть охлаж­ дающего воздуха используются:

1) конусные упругие кольца 1 - для уплотне­ ния значительных осевых зазоров;

2) гофрированные пружинные пластинки 2 - уплотнение стыков между деталями статора, в которых необходим зазор по условиям сборки (которые не стягиваются болтовыми соедине­ ниями);

3) так называемые «перьевые» уплотнения 3 между верхними и нижними полками сопловых

лопаток - для уплотнения воздушной полости над СА и под СА от утечек в проточную часть и утечек газа и воздуха между нижними полками 2 СА. «Перьевые» уплотнения состоят из тонкой (примерно 0,3 мм) гибкой металли­ ческой полоски (перышка), помещаемой одно­ временно в две параллельные канавки, проре­ занные в смежных деталях (торцах полок лопаток). Разница давлений между полостями сверху и снизу полок прижимает пластинки к стенкам канавок и уплотняет зазор. Из прин­ ципа действия «перьевых» уплотнений ясно, что чем более гибкой является пластинка и чем более ровной является поверхность канавок, тем лучше прилегание и уплотнение. Поэтому ка­ навки изготавливают методом шлифования, и они имеют преимущественно прямолинейную форму;

4)кольцевые пазы с вставленной в них про­ волокой 4 - для уплотнения стыков деталей ро­ тора (в переднем и заднем дефлекторах и про­ межуточном диске - на поверхностях, приле­ гающих к боковым поверхностям 7 и 2 дисков). Под действием центробежной силы проволока уплотняет стык роторных деталей;

5)деформируемая трубка 5 - для уплот­ нения полости внутри лабиринтного уплотнения за рабочей лопаткой 1-й ступени использована сжатая при сборке трубка.

13.5.Уплотнения масляных полостей опор роторов, редукторов, коробок приводов

В процессе работы каждого ГТД происходит потеря масла вследствие его утечек из ма­ сляных полостей в проточную часть двигателя, а также выброса в атмосферу мелко распы­ ленных частиц масла (тумана) из суфлируемых масляных полостей. Утечки масла образуются в местах стыков вращающихся и неподвижных элементов опор роторов. Тем же путем в ма­ сляные полости поступают газы и воздух по­ вышенного давления и температуры из смеж­ ных полостей двигателя. Проникая в масляную полость, эти газы и воздух дополнительно нагревают масло и увеличивают массу воздуха, удаляемого при суфлировании. Расход масла су­ щественно зависит от степени совершенства конструкций уплотнений масляных полостей.

Уплотнения масляных полостей бывают кон­ тактными и бесконтактными.

К контактным уплотнениям относятся: ме­ таллические кольцевые, радиальные секцион­ ные графитовые, торцовые контактные уплотне­ ния (ТКУ), радиально-торцовые контактные уп­ лотнения (РТКУ). Они обеспечивают требуе­

мую герметичность масляных полостей опор роторов ГТД, обладают незначительными поте­ рями на трение и необходимой надежностью, но по-разному чувствительны к перепадам дав­ лений и температуре окружающего воздуха, к величине окружной скорости скольжения в кон­ такте.

К бесконтактным уплотнениям относятся: лабиринтные уплотнения, торцовые графитовые бесконтактные (см. подразд. 13.3.5), маслоот­ гонные винтовые втулки в виде многозаходной резьбы, маслоотражательные кольца. Лабиринт­ ные уплотнения в ряде случаев используют для совместной работы с контактными уплотне­ ниями. Такая потребность возникает при слиш­ ком высоких перепадах давлений в смежных воздушной и масляной полостях (при отсутст­ вии перепада и отсосе на вход в компрессор). Задача решается путем создания промежу­ точных суфлируемых или наддуваемых поло­ стей перед контактными уплотнениями, от­ деляемых дополнительными лабиринтными уп­ лотнениями.

Рассмотрим некоторые встречающиеся в ГТД типы контактных уплотнений. Конструкция кон­ тактного металлического кольцевого уплот­ нения представлена на рис. 13.27. В канавках кольцедержателя 1 размещаются неподвижные разрезные упругие кольца 2, плотно прижатые силой упругости к неподвижной втулке 5. Число колец обычно не превышает трех. Перетеканию масла из масляной полости и проникновению в нее воздуха или газа извне препятствует бо­ ковое прилегание кольца к боковой поверхности канавки. Для уменьшения трения и износа со­ прикасающихся поверхностей к ним подводят масло через отверстия (около 1 мм) в кольцедержателях. Для хорошего уплотнения масла перепад давлений воздуха должен действовать внутрь масляной полости, но не бьггь чрезмер­ ным во избежание недопустимого износа колец (рекомендуется 0,05...0,08 МПа). Контактирую­ щие поверхности стальных кольцедержателя и втулки корпуса цементируют или азотируют. Упругие чугунные кольца подвергают пористо­ му хромированию.

Кольцевые уплотнения требуют высокой точ­ ности изготовления, соблюдения указанных пе­ репадов давлений и окружных скоростей не бо­ лее 60...80 м/с (иногда до 100 м/с).

В конструкциях современных ГТД вместо металлических уплотнительных колец находят применение графитовые уплотнения различных типов, отличающиеся большей надежностью и умеренными износами при более высоких нагрузках (см. подразд. 13.3.5).

Глава 13. Уплотнения в ГТД

Рис. 13.27. Контактное металлическое кольцевое уплотнение: 1 - кольцедержатель; 2 - разрезные упругие кольца; 3 - втулка

На рис. 13.28, а приведен пример конструк­ ции радиального секционного графитового уп­ лотнения. Графитовые сегменты 3 обжимают поверхность вала 1 посредством пружины бра­ слетного типа 4, а пружинами 7 прижимаются к торцу неподвижного корпуса 2. От проворота графитовые сегменты удерживаются стопора­ ми 8. Геометрические размеры, форма и число элементов довольно широко варьируются. Так, графитовые радиальные уплотнения выполня­ ются однорядными, как показано на рисунке, или двухрядными с большим числом элементов и перекрытием стыков между ними путем расположения их в шахматном порядке. Число сегментов в одном ряду рекомендуется от че­ тырех до шести. Действующие на уплотнение перепады давлений рекомендуются в пределах не более 0,25 МПа.

Усилие растяжения браслетных пружин при­ нимают пропорциональным диаметру посадочно­ го места элементов:

Р = 0,02Д

где D - диаметр, мм; Р - усилие, Н.

Осевые пружины применяют с усилием 3...6 Н. Из применяемых материалов можно указать углеграфит Нигран-В (для температур воздуха

до 300 °С), АГ-1500 и пирографит ПГИ (для тем­ ператур до 350...400 °С); ответные стальные де­ тали изготавливают из 38ХМЮА, 13X11Н2В2МФ с азотированием контактных поверхностей на глубину 0,1...0,35 мм, пружины - из проволо­ ки 40КХНМ диаметром 0,5 мм. Такие уплот­ нения допускают значительные относительные осевые перемещения и скорости скольжения до 120 м/с.

На рис. 13.28, б приведен пример торцового контактного уплотнения. Уплотнительное кольцо 6, приклеенное к стальной втулке 4, перемеща­ ется под действием осевых пружин по направ­ ляющим штифтам 3, создавая контакт с торцом вращающейся стальной втулки 2 на валу ротора 1. Удельное давление в контакте должно пре­ восходить перепад давлений воздуха при работе ГТД. Уплотнение втулки 4 в крышке опоры осу­ ществляется резиновыми манжетами 5.

Для надежной работы ТКУ необходима вы­ сокая точность изготовления деталей и отсут­ ствие перекоса торцов в контакте; втулка 2 долж­ на охлаждаться струей масла (от 2,5 до 4,5 л/мин). Относительные осевые перемещения при ТКУ ограничены. Допускаются большие перепады давлений воздуха до 0,4 МПа (при температуре 200 °С и скорости скольжения до 75 м/с). При этом рекомендуется выдерживать пара­ метр pV < 50, где р - удельное давление в кон­ такте (МПа), V - относительная скорость скольжения (м/с). В числе других применяемых конструкций ТКУ следует упомянуть уплотне­ ние между двумя вращающимися валами, а также ТКУ с подвижным самоустанавливающимся сферическим кольцом. Последнее об­ ладает заметно лучшими уплотняющими свой­ ствами.

На многих ГТД применяют радиально-торцо­ вые контактные уплотнения различной конст­ рукции. Применяют РТКУ, состоящие из набо­ ра последовательно чередующихся графитовых и стальных колец, с разделением функций торцового и радиального уплотнений, а также имеющие всего одно кольцо. Существенное зна­ чение для выбора конструкций графитового уплотнения имеет место расположения уплотне­ ния, связанное с условиями его работы (пара­ метр p V ,t воздуха или газа, теплоотвод).

На рис. 13.28, в приведен пример конструк­ ции графитового уплотнения опоры компрессора с одним кольцом 4. Вместе с валом ротора 1 вращаются стальные кольца 2 и 3. Графитовое кольцо осуществляет уплотнение в плоскости торца и внешней цилиндрической поверхности. На величину давления воздуха перед уплотне­ нием влияет наличие лабиринтного уплотнения 5.