Глава 18 - Уплотнения ГТД

Рисунок 18.1_10 – Уплотнение стыков между роторными деталями проволокой

образного профиля (см. Рис. 18.1_7в) или С-образ- ного фирмы Nicholsons (см. Рис. 18.1_8)

Âнеподвижных соединениях арматуры с корпусами, в пробках и т.п. для уплотнения применяются также коническая резьба, обеспечивающая герметичность до давления 15...20 МПа.

Листовые неметаллические прокладки (см. Рис. 18.1_5) изготовляют из бумаги, картона, резины, фибры, паронита, кожи, пробковых материалов, армированного полотна, фторопласта и других материалов. Металлические прокладки изготовляют из алюминия, меди, латуни, стали, никелевых сплавов.

ÂОАО «Авиадвигатель» г.Пермь применяют главным образом прокладки из паронита, металлов, и прокладки из терморасширенного графита. Например, во фланцах камер сгорания при давлениях выше 1,5 МПа - это активные С-образные металлические кольца фирмы Nicholsons или прокладки из терморасширенного графита (нового графитового материала, сохраняющего упругость

âпределах 10 % до давления 20 МПа). При давлениях до 1,0 МПа включительно - это пассивные паронитовые прокладки, окантованные фольгой из материала 12Х18Н10Т (см. Рис. 18.1_8)

Âтурбинах для уплотнения стыков между статорными деталями применяются упругие кольцевые уплотнения, например, W-образные в сечении уплотнения (см. Рис. 18.1_9), а для роторных деталей - уплотнения проволокой, которая за счет собственной центробежной нагрузки уплотняет стык (см. Рис. 18.1_10).

Уплотнение внутренних утечек в газовом тракте рассматривается в разделе 18.4 на примере 2.

18.2 - Уплотнения подвижных соединений

Уплотнения подвижных соединений, применяемые в авиадвигателях, можно подразделить на бесконтактные (или щелевые) и контактные. Основные из них представлены в Таблице 18.2_1.

В первой строке Таблицы 18.2_1 представлены лабиринтные уплотнения, у которых гидравлическое сопротивление утечкам выполняется многократным чередованием щелей (зазоров) и расширительных камер при отсутствии контакта между подвижной (обычно вращающейся) и неподвижной частями уплотнения.

Лабиринтные уплотнения не имеют ограни- чений по температуре и давлению уплотняемой среды, по относительной скорости скольжения

1180

Глава 18 - Уплотнения ГТД

			Параметры уплотнений подвижных соединений			Таблица 18.2_1
Класс		Тип	Схема уплотнения		Ограничения		Эфф.
							зазор,
		уплотнения	(зазор в мм)
							мкм
0	1	2	3	4	5	6	7
	1	Лабиринтное		Íåò îãð.	1200	Íåò îãð.	50…200
					è âûøå
(щелевые)
						1,2 íà
Бесконтактные	2	Щеточное		400	1000	îäèí ðÿä	40…165
						щеток
	3	Графитовое		180	700	25	3…12
		бескон-
		тактное
	4	Графитовое		100	700	Ð*V=50	10…20
		контактное				ÌÏà·ì/ñ
		Поршневые
		кольца,
	5	металли-		80…100	500	0,1	5…15
		ческие
Контактные
		набивки
		сальников
		Притертые			Притертые пары
	6	пары, мягкие		3	20…500	500	0
		набивки			сальники
		сальников			363…343
		Манжеты				600
	7			1	310	(несколько	0
		(кожа, резина)				манжет)

1181

Глава 18 - Уплотнения ГТД

èпоэтому они находят самое широкое применение. При доводке лабиринтных уплотнений иногда возникают прочностные проблемы в том числе вибрационного (автоколебательного) происхождения, но они конструктивно устранимы. К недостаткам лабиринтных уплотнений относится самая большая, по сравнению с другими уплотнениями, утеч- ка (самый большой эффективный зазор).

Во второй строке Таблицы 18.2_1 представлены щеточные уплотнения, являющиеся комбинацией лабиринтного и щеточного уплотнений. В этих уплотнениях вход воздуха в каждую щель лабиринтного уплотнения загромождается проволочными щетками, упруго скользящими по вращающейся части уплотнения. Щетки увеличивают гидравлическое сопротивление утечкам на 20...40%.

Âтретьей строке Таблицы 18.2_1 представлены графитовые (или из других материалов) воздушные (газовые) уплотнения, у которых на каждом режиме работы машины, для уменьшения утечки воздуха. автоматически минимизируется торцевой зазор между вращающейся и неподвижной частями уплотнения и они работают на воздушной (газовой) смазке толщиной 5...10 мкv. В этих бесконтактных уплотнениях невращающаяся часть уплотнения имеет некоторую свободу осевых перемещений для того, чтобы отслеживать изменения (хотя и небольшие ~0,2...2,5 мм) положений вращающейся части уплотнения.

Поверхности уплотнений должны выполняться исключительно точно и быть зеркально гладкими, чтобы не повреждаться от тепловыделения трением при возможных импульсных задеваниях (в основном при изменении режима работы). Для этого поверхности должны быть тугоплавкими

èв меру антифрикционными.

Âчетвертой строке Таблицы 18.2_1 представлены графитовые контактные уплотнения. В этих уплотнениях произведение давления Ð 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 400îÑ (673 Ê).

Требования к поверхностям уплотнения такие же, как к поверхностям уплотнений третьей строки.

Âпятой строке таблицы 18.2_1 представлены уплотнения поршневыми кольцами, сальниками с металлической набивкой. Кроме ГТД поршневые кольца широко применяют во многих областях машиностроения, в частности, в поршневых двигателях. Они применяются до средних скоростей

скольжения порядка 15...80 м/с и требуют смазки.

Âшестой строке Таблицы 18.2_1 представлены притертые поршневые пары (плунжеры) и сальники с мягкой набивкой. Применение сальников

ñмягкой набивкой ограничивается относительной скоростью скольжения 2...3 м/с и температурой 20...50 îÑ (293...323 Ê).

Âседьмой строке Таблицы 18.2_1 представлены уплотнения кожаными манжетами, резиновыми разжимными кольцами и т.п.

Применение их при больших давлениях уплотняемой среды ограничено скоростью скольжения не более 1 м/с и температурой не более 40îС (313 К). При малых избыточных давлениях уплотняемой среды порядка 0,05 МПа и менее манжетные уплотнения могут применяться до более высоких скоростях скольжения (до 20 м/с) при наличии смазки.

ÂГТД, которые эксплуатируются в различ- ных климатических и высотно-скоростных условиях, практически не встречается случаев, где уплотняемая среда не достигала бы температуры 100îС (393 К) и более. Поэтому в ГТД применяются главным образом уплотнения, представленные в первых пяти строках Таблицы 18.2_1.

ÂТаблице 18.2_1 приводятся ориентировоч- ные границы применения уплотнений по скоростям скольжения (столбец 4), температурам (столбец 5), давлениям (столбец 6), а также по герметичности

(столбец 7) причем герметичность оценивается

эффективным зазором δÝÔ, о котором будет сказано далее. Здесь лишь заметим, что δÝÔ в большинстве случаев определяется экспериментально че- рез измеренную утечку.

18.2.1 - Гидравлический расчет уплотнений подвижных соединений

Расчет утечек через уплотнения подвижных поверхностей с достаточной для практики точностью производится по уравнениям гидравлики для случая истечения жидкостей через отверстия и щели. Как известно, скорость C истечения жидкости из отверстия в тонкой стенке:

(18.2.1-1)

ãäå ω - безразмерный коэффициент скорости; Ð0, Ð1 - давление перед и за щелью, Па

(1 êã/ñì2 = 98066,5 Ïà); ρ - плотность истекающей жидкости, кг/м3.

Секундный объемный расход жидкости Q ì3/ñ:

1182

Глава 18 - Уплотнения ГТД

Рисунок 18.2.1_1 - Круговая щель

(18.2.1-2)

ãäå ε - безразмерный коэффициент сжатия струи;

f- площадь отверстия через которую истекает жидкость, м2.

Произведение

ϕε = µO

(18.2.1-3)

называется коэффициентом расхода µO через отверстие. Чем этот коэффициент меньше, тем утечка Q меньше.

При определении объемного расхода Q жидкости через щели применяется та же формула (18.2.1-2), что и для отверстия, однако коэффициент расхода при этом зависит уже и от конфигурации и от длины щели. Его обозначим µÙ . Тогда

(18.2.1-4)

Площадь f для круговой щели (Рис.18.2.1_1)

	f = πDÑÐδ
ãäå DÑÐ	- средний диаметр щели, м;
δ	- радиальный зазор (толщина) щели, м.

Секундный массовый расход m жидкости че- рез круглое уплотнение (круговую щель):

(18.2.1-5)

Произведение коэффициента расхода на физический зазор µÙδ называется эффективным зазором δÝÔ :

δÝÔ = µÙδ

(18.2.1-6)

Эффективный зазор интегрально характеризует уплотнение: чем он меньше, тем утечки меньше.

Для уменьшения эффективного зазора δÝÔ стремятся уменьшать как физический зазор δ , так и коэффициент расхода µÙ (последнее означает увеличение гидравлического сопротивления).

С учетом (18.2.1-5) для секундного массового расхода жидкости через круговую щель имеем:

(18.2.1-7)

Эффективный зазор δÝÔ легко определить экспериментально, задав давления перед и за уплотнением (Ð0 è Ð1) и измерив утечку жидкости m. Тогда:

(18.2.1-8)

Сравнивать между собой любые уплотнения (в том числе такие, в которых явно не просматривается физический зазор δ, например контактные, щеточные и т.п.) будем в дальнейшем производить по эффективным зазорам δÝÔ , определяемым по (18.2.1-8).

Примечание.

Коэффициент расхода µÙ , а значит и эффективный зазор δÝÔ при турбулентном режиме движения обычно практически постоянен.

При ламинарном движении δÝÔ непрерывно уменьшается по мере снижения числа Рейнольдса (Rе). Число Rе для щелей подсчитывается по формуле:

(18.2.1-9)

где обозначения приведены выше, а ν - кинемати- ческий коэффициент вязкости жидкости, м2/ñ.

1183