Глава 18 - Уплотнения в ГТД

Уплотнения предназначены для уменьшения вредных утечек воздуха (газа) из газовоздушного тракта двигателя, для уменьшения внутренних перетеканий воздуха (газа) из области с повышенным

âобласть с пониженным давлением газового тракта двигателя, для уменьшения или полного устранения утечек жидкостей в агрегатах и опорах валов, для исключения утечек в сочленениях корпусов, трубопроводов и т.п.

Уменьшение утечек и перетечек воздуха (газа)

âгазовоздушном тракте двигателя ведет к повышению эффективности ГТД как тепловой машины. Однопроцентная утечка воздуха из-за компрессора высокого давления на двигателе ПС-90А, например, ведет к увеличению расхода топлива на 0,72% (при поддержании тяги двигателя постоянной), а на взлетном режиме к увеличению температуры газов перед турбиной на 0,72% (от температуры газов перед турбиной в градусах Кельвина).

Уплотнения подразделяются на уплотнения неподвижных соединений и уплотнения подвижных соединений.

18.1 - Уплотнение неподвижных соединений

Герметизацию неподвижных соединений осуществляют преимущественно контактными, реже диафрагменными уплотнениями и уплотнениями с герметиками, а так же точно соприкасающимися (притертыми) поверхностями. Назначение уплотнения неподвижного (УН) - исключить взаимное проникновение сред (утечки) через соединение при сохранении возможности его разборки.

По специфике механизма герметизации контактные УН подразделяют на эластомерные прокладки и кольца, металлические уплотнения линейного контакта, металлические и неметаллические прокладки, газонаполненные кольца и комбинированные уплотнения. Эластомерные, пластмассовые и газонаполненные уплотнения и комбинированные уплотнения устанавливают в замкнутые канавки, что позволяет реализовать эффект самоуплотнения при повышении давления в герметизируемой полости. Такие уплотнения называют активными. Для открытых с торцев прокладок, помещаемых между двумя поверхностями без замкнутых канавок, не характерен эффект самоуплотнения, поэтому для таких уплотнений приходится ограничивать допустимое давление среды, иначе их выдувает. Такие уплотнения называют пассивными.

В контактных УН механизм герметизации определяется характером контакта уплотняемых поверхностей соединения и уплотнителя, поэтому важное значение имеет шероховатость поверхностей и структура стыка при их сближении под действием сил, создающих контактное давление ÐÊ. Характер контакта жестких поверхностей (металл - металл), эластомеров, пластмасс или композиционных материалов с твердой поверхностью разли- чен.

Особенности активных уплотнений с эластомерными кольцами (в частности, резины) в замкнутых канавках определяются специфическими свойствами эластомера. Вследствие большой эластичности и практически неизменного объема при деформациях эластомеры подобны сильно вязкой жидкости, способной передавать давление среды на контактирующие поверхности (см. Рис. 18.1_1). Однако, уже в первые часы после монтажа уплотнения вследствие релаксации напряжений начальное монтажное давление ÐÊÎ снижается. В дальнейшем (в течение нескольких лет) происходит дальнейшее снижение контактного давления ÐÊÎ вследствие старения, и поверхность кольца принимает форму поверхностей, контактирующих с ней.

Для прокладок из мягких металлов и многих пластмасс основным механизмом деформации является пластический контакт при котором (при монтажном давлении ÐÊ = НВ, где НВ - твердость по Бринеллю) поверхность прокладки практически принимает форму поверхности контактирующего с ней твердого тела (см. Рис. 18.1_2).

Рисунок 18.1_1 – Кривые распределения контактного давления Рк а) при установке кольца; б) при

действии давления среды

Для уплотнений периодического действия, главным образом клапанных уплотнений, где пластический контакт недопустим, контактирующие элементы изготавливают из материалов с высокой твердостью (закаленной стали) и обрабатывают для герметизации очень точно (притирают с пастой).

Вредные утечки из газовоздушного тракта ГТД через неподвижные соединения бывают внешними и внутренними. Внешние утечки связаны с негерметичностью корпусов (фланцевые соединения, элементы реверсивного устройства и т.п.). Внутренние утечки - это перетекание воздуха (газа) из области газового тракта с повышенным давлением в область тракта с пониженным давлением не выходя за пределы корпусов, но минуя основную проточную лопаточную часть тракта. Внутренние утечки связаны прежде всего с негерметич- ностью по стыкам в местах крепления лопаток, как рабочих, так и сопловых, спрямляющих.

Внешние утечки через фланцевые соединения не допускаются, т.е. уплотнения должны быть полностью герметичны. Наиболее распространенным средством уплотнения фланцевых соединений является тщательная обработка фланцев и выбор шага и затяжки болтов с целью предотвращение раскрытия фланцев на участие между болтами,

а там где этого недостаточно - применение сжимаемых (медных, медно-асбестовых, стальных и т.п.) прокладок, иногда покрытых серебром, алюминием и т.д.

На поверхности фланца под пассивную прокладку протачивают концентрические канавки глубиной ~ 0,3 мм на расстоянии 0,8...1,0 мм друг от друга. Количество и диаметр болтов (или винтов) определяются в зависимости от избыточного давления среды (воздуха, газа, масла), характера нагрузки (статическая или динамическая) упругости материала прокладок. Учитывая большие диаметры корпусов газотурбинных двигателей и их небольшую массу при перепадах давлений более 0,2 МПа, не рекомендуется шаг болтов, стягивающих фланцы, делать более 40 мм, а диаметр болтов менее 6...8 мм. Обычно, в зависимости от перепада давлений, шаг болтов равен 15...30 мм.

В трубопроводах арматуры, в резьбовых соединениях уплотнение двух сопрягаемых трубопроводов часто создается посредством контакта металлов с различными пределами текучести (соединения с так называемым шаровым ниппелем). Применяются также уплотнения с прокладками

èвтулками из цветного металла (см. Рис. 18.1_3

è18.1_4).

Рисунок 18.1_4 - Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов 1 – труба; 2 – ниппель; 3 – накид-

ная гайка; 4 – деталь арматуры; 5 – коническая прокладка

Предельное допустимое монтажное контактное давление ÐÊ мах на пассивную прокладку должно быть приблизительно в 10 раз больше давления рабочей среды Ðìàõ. При этом нужно иметь ввиду, что монтажное контактное давление, которое может выдержать сама пассивная прокладка, составляет:

Для герметизации фланцевых соединений прокладками применяются:

-плоские (листовые) прокладки для соединяемых корпусов машин в условиях низкого рабоче- го давления (см. Рис. 18.1_5),

-плоские кольцевые прокладки, подразделяющиеся по конструкции уплотнений на пассивные открытые (см. Рис. 18.1_6а) и активные закрытые замком (см. Рис. 18.1_6в) канавкой «øèï-ïàç» (ñì. Ðèñ. 18.1_6â, ã),

-линзовые прокладки (см. Рис. 18.1_7а) для уплотнения линейного контакта конус-сфера,

-гребенчатые прокладки, имеющие острые кольцевые выступы (см. Рис. 18.1_7б), металлические кольцевые рессорные прокладки, например К-

Рисунок 18.1_5 – Уплотнители-прокладки а) листовые; б) кассетные с обо-

лочкой из фторопласта; в) металлические гребенчатые; г) металлические проволочные; д, и, к) кассетные; е) газонапол-

ненные; ж, з) спирально-навитые.

Рисунок 18.1_6 – Фланцевые соединения с прокладками а) открытыми; б) закрытыми

замком; в) закрытыми в канавке шип-паз; г) то же, с бугельным обжатием; 1 – прокладка; 2 – болтовой или

бугельный силовой элемент; 3 – фланец трубопровода

Рисунок 18.1_7 – Уплотнения линейного контакта а) с линзовой прокладкой; б ) с гребенчатой; в) с рессорной К-образной прокладкой;

1 – прокладка; 2 – силовой элемент; 3 - фланец

Рисунок 18.1_8 – Герметизирующие элементы фланцев камер сгорания а) паронитовая окантованная

прокладкой; б) С-образное металлическое кольцо; в) кольцо из терморасширенного графита