Глава 18 - Уплотнения ГТД

Ламинарный режим при подсчете Rе по формуле (18.2.1-9) имеет место при Re ≤ 500. Можно для расчетного нахождения утечки жидкости при ламинарном режиме пользоваться формулой:

(18.2.1-10)

ãäå l - длина уплотнения, м;

δ- радиальный зазор в уплотнении, м;

DÑÐ		- средний диаметр уплотнения, м;
Ð ,Ð - давление перед и за уплотнением, Па;
ρ0	1	- плотность жидкости, кг/м3;
ν		- кинематический коэффициент вязкос-

ти жидкости, м2/ñ.

Выше рассмотрены формулы для нахождения утечек жидкости. Переходим к расчету утечек газов.

Для воздуха или газа учитывают зависимость плотности газа ρ от давления Ð и температуры Ò:

(18.2.1-11)

ãäå R - газовая постоянная.

Если в уравнение (18.2.1-11) подставить среднее давление воздуха PÑÐ = (P0 +P1)/2 перед и за уплотнением и температуру воздуха T0 перед уплотнением, то средняя плотность ρÑÐ будет равна:

(18.2.1-12)

Подставив эту среднюю плотность ρÑÐ в уравнение (18.2.1-7) получим расчетную формулу для нахождения секундной массовой утечки воздуха (газа) через уплотнение подвижных поверхностей

	(18.2.1-13)
ãäå δÝÔ	- эффективный зазор в уплотнении, м;
DÑÐ	- средний диаметр уплотнения, м;
Ð0,Ð1	- давление перед и за уплотнением, Па;
R	- газовая постоянная (для воздуха
Ò0	R = 287), Äæ/(êã Ê);
	- температура воздуха (газа) перед
	уплотнением, К.

Формула (18.2.1-11) предложена А. Стодолой и носит его имя.

Примечание.

Заметим, что скорость воздуха (газа) в уплотнении не может превысить скорости звука. При трансзвуковом истечении, т.е. тогда, когда (Ð1 / Ð0) ≤ βÊÐ , в формулу (18.2.1-13) надо вместо Ð1 подставлять давление Ð = Ð0βÊÐ, ãäå

,

k- показатель адиабаты.

Для воздуха (k=1,4) βÊÐ=0,528. Äëÿ ãàçà (k=1,29) βÊÐ = 0,548.

При экспериментальном определении эффективного зазора в любом воздушном (газовом) уплотнении его ставят на специальную установку, где произвольно задают давления перед Ð0 è çà Ð1 уплотнением, температуру воздуха T0 перед уплотнением и измеряют утечку через уплотнение m.

Тогда из формулы (18.2.1-11)

(18.2.1-14)

В заключение еще раз отметим, что режим течения воздуха (газа) в уплотнениях ГТД практи- чески всегда является турбулентным и эффективный зазор δÝÔ можно считать практически постоянным при любых расходах m.

18.3 - Уплотнение газового тракта между 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 меньшим 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 перепуски, пневмоприводы и т.п.) и паразитными. Паразитные утечки по стыкам неподвижных деталей (корпуса, фланцы, трубопроводы, каналы и т.п.) недопустимы. Они устраняются соответствующими затяжками болтов, выбором их количества, а там

1184

Глава 18 - Уплотнения ГТД

где этого недостаточно, применением прокладок между стягиваемыми деталями.

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

Âтурбомашинах, в том числе в компрессорах

èтурбинах ГТД, применяются или находятся в стадии разработки следующие виды уплотнений типа «воздух-воздух» («газ-газ») между ротором и статором:

-лабиринтные уплотнения;

-щеточные уплотнения;

-скользящие сухие уплотнения газодинами- ческие;

-скользящие сухие уплотнения газостатичес-

êèå.

Последнее уплотнение доведено и исследовано пока лишь на лабораторном стенде, хотя имеется компоновка одного из американских ГТД с этим уплотнением. Рассмотрим последовательно пере- численные уплотнения между ротором и статором ГТД.

Рисунок 18.3.1_1 – Основные геометрические параметры камеры лабиринтного уплотнения

18.3.1 - Лабиринтные уплотнения

На Рис. 18.3.1_1 представлена схема простого лабиринтного уплотнения с числом зубцов Z=3.

При теоретическом определении коэффициента расхода µ канал этого лабиринтного уплотнения представляют лишь как совокупность последовательных местных сопротивлений в виде сужений и внезапных расширений.

Коэффициент расхода µ1 одного местного сопротивления является произведением коэффициента сжатия струи на коэффициент скорости µ1=εϕ. Полагая коэффициент сжатия ε для газа равным единице получим

µ1 = 1·ϕ

Учитывая, что для одного местного сопротивления

,

ãäå ξ - коэффициент потерь местного сопротивления [18.7.2], получим для однозубого уплотнения .

Для многозубого уплотнения с одноименными (одинаковыми) Z местными сопротивлениями как на Рис. 18.3.1.1:

(18.3.1-1)

Для многозубого сложного уплотнения с разными конфигурациями зубцов гребешков коэффициент расхода будет:

, (18.3.1-2)

ãäå Z - число разных местных сопротивлений; ξi - коэффициенты местных сопротивлений.

В простых гребешках (см. Рис. 18.3.1.1) с зазором δ между зубом гребешка и ротором и высотой зуба гребешка h, коэффициент сопротивления ξ на зубе можно определить по формуле, применя-

1185

Глава 18 - Уплотнения ГТД

ющейся при внезапном расширении потока с малой поперечной площади f на большую площадь F:

.

(18.3.1-3)

Коэффициент a’ в этой формуле зависит от

(18.3.1-7)

плавности перехода с кольцевой площади f íà êîëü-

цевую площадь F и для внезапного расширения он

равен единице. Поэтому принимаем a’= 1, тогда

(ñì. Ðèñ. 18.3.1.1):

. (18.3.1-4)

Учитывая, что		получим:

Как видно из формулы (18.3.1-7), коэффициент расхода µ лабиринтного уплотнения снижается (а значит - снижается утечка) при уменьшении отношения δ/h (зазора δ к высоте зуба гребешка h) и увеличении числа Z зубьев в уплотнении. Отсюда стремление конструкторов уменьшать зазор δ и увеличивать высоту зуба h, а также увеличи- вать по возможности число зубцов Z.

Бывают случаи, когда известен коэффициент расхода µ и требуется определить коэффициент сопротивления ξ на зубе гребешка. Он находится из

формулы преобразованной к виду:

(18.3.1-5)

Коэффициент расхода на одном зубе гребешка:

. (18.3.1-6)

Коэффициент расхода лабиринтного уплотнения с числом Z одинаковых зубцов:

(18.3.1-8)

Лабиринтные уплотнения получили наибольшее распространение ввиду их простоты

èнадежности. К недостаткам лабиринтных уплотнений можно отнести ухудшение их эффективности в процессе эксплуатации, связанное с износом уплотняющих деталей статора и ротора

èотносительно большие утечки в сравнении с уплотнениями других типов.

Во время приработки гребешки контактируют с ответной частью уплотнения, что приводит к взаимному износу деталей и увеличению утечек. Самый значительный износ происходит на переходных режимах двигателя (когда скорости охлаждения или нагрева статорной и роторной частей уплотнения сильно различаются). Для облегчения приработки в компрессорах применяют графитоалюминиевые или графито-тальковые покрытия, а при высоких температурах сотовые покрытия из металлической фольги, припаиваемой к статорной

1186

Глава 18 - Уплотнения ГТД

Рисунок 18.3.1_2 – Сотовое покрытие статорной части лабиринтного уплотнения

Рисунок 18.3.1_3 – Зубцы лабиринта, упрочненные электроискровым легированием

– ÝÈË Ò15Ê6

части уплотнения (см. Рис. 18.3.1_2), а в турбинах керамические покрытия.

Для уменьшения износа зубцов лабиринтного уплотнения на зубцы наносится упрочняющее покрытие - плазменным напылением или электроискровым легированием (см. Рис. 18.3.1_3). Во время работы зубцы врезаются в покрытия и образуют в нем канавки (см. Рис. 18.3.1_4).

Существуют разные виды лабиринтных уплотнений (см. Рис. 18.3.1_5а, б, в, г, д).

Самое простое, но наименее эффективное из всех лабиринтных уплотнений - прямоточное (см. Рис. 18.3.1_5а, ξ = 0,471). Расположение гребеш-

Рисунок 18.3.1_4 - Врезание гребешков лабиринта в сотовое уплотнение

ков под углом к потоку несколько повышает его эффективность (см. Рис. 18.3.1_5б, ξ =0,615).

При расположении гребешков на поверхности с уступами или наклонной поверхности к эффекту полезных потерь при дросселировании гребешками, добавляются потери от изменения направления потока, что способствует уменьшению утечек (см. Рис. 18.3.1_5д, ξ =1,27) è ò.ä.

На Рис. 18.3.1_5 приведены также коэффициенты расхода µ, определенные по формуле (18.3.1-2) при Z=7. Коэффициенты сопротивления ξ повторяющихся элементов уплотнения обведены на Рис. 18.3.1_5 кружками. Заметим, что для варианта «г» таким повторяющимся элементом является сочетание двух разных по размерам зубцов, поэтому для этого уплотнения коэффициент обозначен ξ2, а число (пар) Z для уплотнения «г» равно 3,5. Как видно из Рис. 18.3.1_5 наименьший коэффициент расхода ξ = 0,265 имеет уплотнение «г», что объясняется большим коэффициентом потерьξ2 = 5,4 на каждой паре зубцов, между которыми поток претерпевает удары в преграды и повороты, т.е. имеет дополнительные (к внезапным расширениям) потери.

Значения коэффициентов расхода µв лабиринтных уплотнениях при числе зубцов Z ≤ 10 лежат в пределах 0,2...0,8.

Эффективность лабиринтных уплотнений, напомним, повышают за счет уменьшения эффективных зазоров δÝÔ = δµ, òî åñòü

- уменьшением физического зазора δ;

1187