- уменьшением коэффициента расхода

за счет увеличения числа зубцов Z и коэффициента сопротивления x (ñì. Ðèñ. 18.3.1_6).

18.3.2 - Щеточные уплотнения

Щеточные уплотнения являются лабиринтноконтактными уплотнениями, у которых гибкие металлические щетки непрерывно касаются (под углом приблизительно в 450) вращающейся части уплотнения. Щетки изготавливаются из кобальтовых (кобальтовый сплав) проволочек диаметром 0,025...0,1 мм, причем на 1 мм длины в окружном направлении располагается до 300 щетинок. Схема двухрядного щеточного уплотнения показана на Рис. 18.3.2_1.

Каждый ряд состоит из щеток, зажатых и закрепленных между малым и большим плоскими кольцами (пластинами). Между большими пласти-

нами 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 «δ» каждой секции (ряда) лабиринтного уплотнения и уменьшают утечки на 20...40%.

На Рис. 18.3.2_2 показана более подробно, одна секция (ряд) щеточного уплотнения в свободном (без ротора) состоянии. Диаметр ротора (поз.4) условно показан пунктиром. При сборке перекрытие щеток «П» (поз.5) выбирается и щетки своей упругостью обеспечивают контакт с ротором. Когда изменяются в процессе эксплуатации радиальные и осевые зазоры, щетки легко адаптируются к этим изменениям, обеспечивая непрерывный контакт с ротором.

Свободная длина щетинок (поз.9), выступание щетинок (поз.6) диаметр щетинок и их плотность являются основными характеристиками щеточного уплотнения:

- чем больше диаметр щетинок, тем больший перепад давлений выдерживает уплотнение, но при этом увеличивается утечка.

Рисунок 18.3.2_3 – Щеточные уплотнения двигателя

ния, увеличению тепловыделения от трения щеток по ротору и снижению ресурса щеток. Поэтому для каждого уплотнения существует своя оптимальная жесткость щеток и специалисты по уплотнениям тщательно их анализируют. Обычно нежелательно и, в отдельных случаях, невозможно по условиям работоспособности уплотнения оптимизировать утечку уменьшением свободной длины щетинок.

Над щеточными уплотнениями работают уже приблизительно 20 лет и в настоящее время они отработаны на параметры, указанные в таблице 18.3.2_1.

Щеточные уплотнения начали находить применение в различных областях техники, включая паровые и газовые турбины и газотурбинные двигатели.

Например, американская фирма Pratt & Whitney ставит два закомпрессорных и два предтурбинных щеточных уплотнений на двигатели РW4077, РW4084 и др. (см. Рис. 18.3.2_3).

Несмотря на положительные результаты эксплуатации щеточных уплотнений, существуют проблемы, с которыми приходится сталкиваться при их использовании в авиационных двигателях, главная из которых - невысокий ресурс в тяжелых условиях работы (высокие окружные скорости, высокие температуры и большие перепады давления) из-за износа, обгорания и обрыва проволочек-ще- тинок.

18.3.3 - Скользящие сухие уплотнения газодинамические

Уплотнения «воздух-воздух», которые работают на принципе подшипника скольжения на газовой смазке, называют, в отличие от жидкостных, скользящими сухими уплотнениями.

Âавиационных ГТД сухие уплотнения применяются пока лишь для уплотнения подшипниковых опор на валах при температурах воздуха до 700 К, окружных скоростях 100...150 м/сек и диаметрах 100...200 мм. Применяются также обычные контактные уплотнения (см. раздел 18.3.5).

Âопорах компрессоров промышленных ГТД

ñ1976 г. наибольшее распространение получили сухие торцевые газодинамические уплотнения английской фирмы «Джон Крейн».

Сухое газовое уплотнение может быть одиноч- ным, сдвоенным (тандем), строенным и т.п.

Одиночное сухое газовое уплотнение фирмы Джон Крейн содержит следующие основные детали (см. Рис. 18.3.2_1):

1 - Вращающаяся пята (седло) из карбида вольфрама. На торце контактной поверхности пяты выполнены (для газа) подъемные площадки (микроканавки) глубиной 5...20 мкм. Форма и размеры площадок бывают разной конфигурации, которая меняется в зависимости от конструкции и предназначения уплотнения. Фирма Джон Крейн применяет спиральные микроканавки, форма которых показана на Рис. 18.3.2_1 справа.

2 - Статорное кольцо, выполненное из графита, пропитанного смолой.

3 - Пружины из материала «Хастеллой» [18.7.2], поджимающие статорное кольцо 2 к вращающемуся седлу.

4 - Кольца из фторуглеродистого эластомера, уплотняющие зазоры между деталями.

При стоянке статорное кольцо 2 слегка прижато пружинами 3 к пяте 1. При вращении благодаря возникающему вязкостному газодинамическому давлению между уплотняющими поверхностями пяты 1 и кольца 2, усиливающемуся благодаря наличию микроканавок, кольцо 2 всплывает над пятой 1 на несколько микрон и уплотнение работает на газовой смазке без износа (при зазоре (d ~ 0,005 ìì).

Если газ содержит частицы размером более 5 микрон, то затворный закомпрессорный газ, поступающий в уплотнение под давлением Р, очищается в фильтре до поступления в уплотнение.

Уплотнение может работать при осевых перемещениях вала относительно корпуса до 2,5 мм и радиальных до 0,6 мм.

Фирма «Джон Крейн» отработала сухие уплотнения до давлений 25 МПа, окружных скоростей до 180 м/с и температур до 400îÑ.

18.3.4 - Скользящие сухие уплотнения газостатические

Выше были рассмотрены торцевые газодинамические сухие уплотнения, у которых повышенное вязкостное газодинамическое давление в газовом (воздушном) слое, образующимся при скольжении (вращении) роторной части уплотнения относительно статорной является следствием этого скольжения.

Работа газостатического уплотнения, к описанию которого мы переходим, основана на принципе работы газостатического подпятника, у которого давления в газовом слое (в воздушной подушке) создается специальным насосом.

Газостатические подпятники (или подшипники) требуют меньшей точности изготовления, чем газодинамические, лучше выдерживает постоянные и пульсирующие нагрузки, так как зазор в них несколько больше, чем в газодинамических.

Главным недостатком, ограничивающим применение газостатического подшипника для целей уплотнения, является необходимость установки воздушного (газового) насоса, развивающего запорное давление, превышающее давление уплотняемой среды. Фирма Stein Seal (США) изготовила газостатическое уплотнение в комбинации с обычным лабиринтным однозубым уплотнением, за которым давление Ð1 при работе, естественно, оказывается пониженным по отношению к давлению Ð0 уплотняемой среды.

Давление Ð0 и используется как запорное для наддува газостатического уплотнения, которое располагается после лабиринтного (однозубового), где давление ниже, чем Ð0. Перепад давлений, возникающий на однозубовом уплотнении используется также для автоматического подсоса подвижной в осевом направлении статорной части уплотнения к роторной до получения расчетного торцевого за-

çîðà δ между ними. Это комбинированные (первое однозубовое и за ним газостатическое) уплотнение

âцелом называется подсасываемым или аспираторным (от английского aspiration), а зуб первого уплотнения называют зубом аспиратора или просто аспиратором (подсасывателем). На Рис. 18.3.4_1 показано аспираторное уплотнение, испытываемое для GE Stein Seal.

Главными деталями уплотнения являются две короткие оболочки 1 и 2, называемые для краткости кольцами (см. Рис. 18.3.4_1).

Наружное кольцо 2 крепится справа к корпусу двигателя. Внутреннее кольцо 1 своим цилиндрическим участком входит с большим зазором

âкольцо 2 не касаясь его, так как оно центрируется относительно кольца 2 несколькими направляющими штифтами 3, закрепленными во фланце кольца 1 и свободно скользящими в осевом направлении в отверстиях левого фланца кольца 2.

Податливыми пружинами 4, надетыми на штифты 3, кольцо 1 на остановленном двигателе отодвинуто на несколько миллиметров от ротора

âосевом направлении. Между цилиндрическими участками колец 1 и 2 выполнено радиально-тор-

цевое уплотнение кольцами поршневого типа (подпружиненные в радиальном направлении браслетной пружиной 5, а в осевом - несколькими пружинками 6, равномерно расположенными по окружности), препятствующее перетеканию уплотняемого воздуха между кольцами 1 и 2 (вторичное уплотнение).

На кольце 1 выполнен зуб аспиратора «à», образующий с ротором радиальное уплотнение с за-

зором δ R.

Радиальный зазор δR остается постоянным при осевых перемещениях δ кольца 1. В кольце 1 выполнены каналы «в» через которое по нескольким сотнями жиклерных отверстий «с» подводится воздух с давлением Ð0 в собственно газостатическое уплотнение, имеющее радиальную протяженность lg.

В торцевой уплотнительной части кольца 1 выполнена проточка «e», которая многими каналами «ä» соединена с областью низкого давления за уплотнением. Через эту проточку «e» сбрасывается воздух, просачивающийся по короткой части щели «lê» из-за зуба аспиратора, а также частично из газостатического уплотнения (из длинной части щели «lg»).

Утечка воздуха через описанное торцевое уплотнение в основном является по сути расходом, необходимым для питания газостатического подшипника. Этот расход (утечка) тем меньше, чем меньше торцевой зазор «δT»в уплотнении, который на Рис. 18.3.4_1 показан условно.

Работает уплотнение так:

-на неработающем двигателе давление везде равно атмосферному и статорное кольцо 1 отведено от торцевой поверхности ротора в осевом направлении пружинами 4 на несколько миллиметров (2...6 мм),

-после запуска двигателя появляется давление газового тракта перед зубом аспиратора «à»

èтечение воздуха через зазор δR. Возникающий на зубе «а», перепад давлений воздуха действует на кольцо 1 и начинает подсасывать (пододвигать) кольцо 1 к ротору, преодолевая усилия пружин 9.

-приближение кольца 1 к ротору, и образова-

ние щели (с зазором δT) между ним и ротором сопровождается нарастанием давления в этой щели

(в газостатическом подшипнике lg), питаемой по жиклерным каналам «с» воздухом с давлением Ð0

-уже на режиме малого газа и далее на всех

режимах кольцо 1 достигает рабочего положения, т.е.

останавливается у ротора при маленьком зазоре δT, равном 30...60 мкм в положении статического равновесия, когда силы от перепада давлений на кольцо, действующие справа налево, автоматически уравновешиваются силой, возникшей в гидростатическом подшипнике и действующей слева направо.

Компания Stein Seal исследовала уплотнение диаметром 36 дюймов (0,9144 м под необходимые размеры двигателя GE-90) на специальном стенде.

Эти исследования показали, что торцевой зазор

«δT» (см. Рис. 18.3.4_1, где этот зазор показан условно) между ротором и кольцом 1 практически