Особенности расчета сегментных уплотнений турбомашин энергоустановок

УДК 62-762

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СЕГМЕНТНЫХ УПЛОТНЕНИИ ТУРБОМАШИН

ЭНЕРГОУСТАНОВОК

А.В. Иванов

В статье даны описание конструкции сегментного уплотнения, особенности и местоположение таких уплотнений в конструкции турбомашин энергоустановок, приведены некоторые вопросы выбора усилия браслетной и осевой пружин для обеспечения надежной работы

Ключевые слова: уплотнение, пружина, сегмент, кольцо

В турбомашинах энергоустановок особого внимания требуют уплотнения, разделяющие насосы с разными компонентами или насос и турбину с компонентами противоположной реакции. От их надежности и эффективности зависит взрывобезопасность двигателя, утечки компонентов в окружающую среду. Так, применяемые в жидкостных ракетных двигателях кислород и водород в контакте образуют смесь взрывоопасную в очень широком диапазоне концентраций (от 4 до 96%), а азотный тетроксид и несимметричный диметил гидразин при контакте в любых соотношениях самовоспламеняются. Таким образом, система уплотнений должна обеспечивать минимальные утечки компонентов топлива и исключить их взаимный контакт. Исключения взаимного контакта и безопасности разделения компонентов топлива можно достичь за счет подачи в промежуточную полость, расположенную между полостями с компонентами противоположных реакций, нейтрального газа с давлением, превосходящим давление в смежных полостях.

горючее

окислительный газ

окислитель

Рис. 1. Уплотнения турбомашин:

1 - внутреннее уплотнение насоса, 2 - внутреннее уплотнение турбины, 3 - концевое уплотнение по жидкости, 4 - концевое уплотнение по газу, 5 - разделительное уплотнение между насосами, 6 - уплотнение между газом и жидкостью одноименной реакции, 7 - разделительное уплотнение между газом и жидкостью противоположной реакции.

В ТНА ЖРД можно выделить два класса разделительных уплотнений:

1. Уплотнения, разделяющие жидкие

компоненты и не допускающие их смешивания (рис. 1 а). Обычно система уплотнений, разделяющая насосы включает уплотнительные элементы и выполненные между ними дренажи. Утечки из дренажных полостей отводятся в окружающую среду по дренажным трубопроводам.

2. Уплотнение между жидким компонентом и газом противоположной реакции (рис. 1б),

например, окислителем и восстановительным газом. Структурно эта схема более сложна, так как для надежного разделения компонентов требует большего числа уплотнений и дренажей, но в данном случае только сложное устройство может гарантировать безопасность и работоспособность турбомашин.

В разделительных уплотнениях используются, как правило, следующие типы уплотнений:

- уплотнения с цельными плавающими

кольцами;

- уплотнения с сегментными кольцами,

установленными с натягом по валу - с зазорами по стыкам сегментов (рис. 2а);

- уплотнения с сегментными кольцами,

установленными с зазором по валу (рис. 2б).

1

Рис. 2. Сегментное кольцо: а) с зазором по стыкам; б) с зазором по валу 1 - вал; 2 - кольцо; 3 - браслетная пружина

Иванов Андрей Владимирович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4732) 34-61-08, e-mail: rd-vgtu@mail.ru

Уплотнения первого типа применяются при высоких перепадах давления на уплотнении.

Уплотнения второго типа работают при постоянном фрикционном контакте роторного и статорного элементов уплотнения. При этом в процессе работы за счет износа внутренней поверхности статорного элемента уплотнения происходит уменьшение зазора по стыкам сегментов и, соответственно, уменьшение утечки через уплотнение. Утечка рабочего тела происходит через стыки между сегментами колец.

В третьем типе уплотнений по сравнению с уплотнениями с цельным кольцом обеспечивается уменьшенный зазор между валом и сегментами кольца (зазор может быть меньше, чем величина биения вала). В этом случае происходит поочередный местный контакт между сегментами кольца и валом в месте его максимального биения. Из-за этого уплотнения такого типа подвержены меньшему износу и применяются при высоких окружных скоростях вала. Уплотнения этого типа можно рассматривать как частный случай уплотнения второго типа.

Схема уплотнения с сегментным кольцом приведена на рис. 3.

п-Б-ЗЯ

Рис. 3. Схема уплотнения с сегментным кольцом.

1 - вал; 2 - сегментное кольцо; 3 - браслетная пружина; 4 - фиксатор от проворота; 5 - осевая пружина;

6 - корпусной элемент уплотнения.

В общем случае сегментное кольцо имеет п сегментов, то есть дуга окружности сегмента составляет 360о/п. Сегментные кольца могут выполняться из двух, трех, четырех и более сегментов. Для предотвращения вращения сегментные кольца стопорятся от проворота специальными фиксаторами.

Для изготовления сегментных колец могу использоваться как металлические - чугуны, бронзы, стали, так и неметаллические материалы -графиты, углепластики, углерод-углеродные композиции, полимеры.

При условии отсутствия отклонений формы вала и внутренней поверхности кольца соотношение между площадями поверхностей, определяющих расход через уплотнение, будет выглядеть следующим образом:

Б, =_________________

Б2 п-ЗБ  0,5

где Б1 - площадь, определяющая расход для сегментного уплотнения с зазором по валу;

Б2 - площадь, определяющая расход для сегментного уплотнения с зазором по стыкам; Б - диаметр вала;

5Я - радиальный зазор между кольцом и валом;

п - число сегментов кольца;

5Б - зазор по стыку между сегментами кольца; Б1 - диаметр втулки (корпуса) о которую опирается кольцо.

Для уплотнений с сегментными кольцами, установленными с зазором по валу характерны два опасных режима работы:

- смещение сегментов кольца друг относительно друга в радиальном направлении;

- сдвиг сегмента разрезного кольца в осевом направлении.

Для уплотнений с сегментными кольцами, установленными с натягом по валу - с зазорами по стыкам сегментов важным условием работы является обеспечение прижатия каждого из сегментов кольца к ротору и уплотнительному торцу корпуса.

Кроме того, для обоих видов уплотнений важным является минимизация выработки внутреннего диаметра уплотнительного кольца.

Схема сил, действующих на сегмент кольца, при смещении одного или нескольких сегментов в радиальном направлении приведена на рис. 4. Так как уплотнения работают в условиях низких перепадов давления, что делает влияние подъемной гидродинамической силы в радиальной щели и гидравлической силы прижатия по торцу кольца мало влияют на условия работы колец.

Рис. 4. Схема сил, действующих на сегмент уплотнительного кольца в радиальном направлении.

Условие равновесия уплотнительного кольца

для

сегмента

„ ^ 360° ^ 360° _

2 • Рбп • *т ----------± 2 • ^ • СОЇ -------+

2 • п 2 • п

+ ^ ± т • а > 0,

тр.т с у ’

где ^6п - усилие браслетной пружины;

Fтp с - сила трения между сегментами кольца;

Fтр т - сила трения по торцу сегмента кольца;

тс - масса сегмента кольца;

ау - составляющая ускорения, действующая

на кольцо перпендикулярно оси ротора; знак «+» - при действии сил в направлении оси ротора;

«-» - при действии сил в направлении противоположном оси ротора.

Для наихудшего с точки зрения пружины случая:

2 ^ . 360° 2 ^ 360°

2  ^  ьт---------2  ^.с соь~---

2  п 2  п

- F - т  а > 0.

тр.т с у

Силу трения скольжения по стыку между сегментами кольца можно определить в соответствии со следующим соотношением:

F = \ Fб + т  а  соь

тр.с бп су

360° 2  п

/с

и корпусом:

— + тс  ах \-/т +

п

т-ртт -^бп = '

„ , 360° . ,

+2  тс  ау -| соь—---\  /с + тс  ау

2  п

„ , 360° ^ 360°

2 ! ьт------------/  соь---------

I г% ^ С г%

2  п 2  п

Относительное её усилие, приевденное к массе сегмента выглядит следующим образом:

F”

1 Кг

F„„

п  тс

+ ах Г /т +

„ I 360° ) ,

+2а--\соьI  /с+ау

„ , 360° ^ 360°

2 А ьт-----/  соь----

\ 2  п 2 п

Схема сил, действующих на сегмент

уплотнительного кольца в осевом направлении приведена на рис. 5.

здесь /с - коэффициент трения по стыку между сегментами кольца.

Силу трения по торцу сегмента кольца можно определить:

F =

тр.т

F„п

± тс  ах |-/т

здесь /т- коэффициент трения по торцу сегмента разрезного кольца.

Максимальную силу трения по торцу сегмента кольца можно определить:

F

F = \ —°^ + т  а

тр.т с X

1 п

/т .

Следовательно, с учетом приведенных выше соотношений условие равновесия для сегмента уплотнительного кольца при смещении одного или нескольких сегментов в радиальном направлении для усилия пружины при неблагоприятном направлении ускорения можно записать следующим образом

2  Р'бп  •»п

360° 2  п

-2! F6П + т0 ау соь-

360° 2  п

360° (F ,

(/с  со^^-----\ -+ тс  ах |-/т - тс  ау > 0

2  п I п

бп

бп

тр. с

тр.с

Рис. 5. Схема сил, действующих на сегмент уплотнительного кольца в осевом направлении.

Условие отсутствия сдвига стыка разрезного кольца в осевом направлении, полученное из уравнения равновесия сегмента уплотнительного кольца выглядит следующим образом:

F„п

--2  F -т  а > 0 .

тр с X

Сила трения, действующая на сегмент, в осевом направлении определится по следующей зависимости:

F = F6  / + т  а - /  соь

тр бп с с у л с

360° 2  п

Из условия равновесия сегмента уплотнительного кольца можно получить

минимальное усилие браслетной пружины,

необходимое для отсутствия сдвига сегментов друг относительно друга в радиальном направлении при условии контакта между торцами сегментов кольца

где FоП - усилие осевой пружины, приходящееся на сегмент кольца;

ах - составляющая ускорения, действующая на кольцо в направлении упорного торца; знак «+» - при действии ускорения в направлении упорного торца кольца;

т

с

тс •ау

п

знак «-» - при действии ускорения в направлении противоположном по отношению к упорному торцу кольца.

Условие прижатия каждого из сегментов к рабочему торцу:

опорный торец корпуса

Fоп

п

- > 2 • ^ + тС • ах или

р і 360°

— > 2 • /с•! Р6п + тс• ау• сої---------------| + тс• аг.

п V 2 • п

Для наихудшего с точки зрения осевой пружины случая её минимальное усилие:

ртіп і 360°

= 2 • /с ] Рбп + тс • ау  СОЇ------------------ 1+ тс • ах

2 • п

из сегментов в осевом направлении.

Площадь, через которую пойдет

дополнительная утечка:

Б = 8пБ/,

Соблюдение этого условия очень важно, так как смещение одного из сегментов в осевом направлении приводит к повышению утечек через уплотнение.

Относительное усилие осевой пружины, приевденное к массе сегмента:

рт

г

= 2 • /с'

Рбп

360

Л

+а •сої

V тс 2 • п

+ ах

С учетом уравнения (2) получим из уравнения (1) выражение для минимального относительного усилия браслетной пружины:

.. .. 360°

/о • /т • СОЇ-------+

+ /с ] СОЇ

2 • п 360° 2 • п

+ 0,5

+ ах • /т

360° _ 360° _ _

ЇІп---------------/с • СО^-------/о • /т

2 • п

2 • п

С учетом полученного уравнения из (2) получим уравнение для минимального относительного усилия осевой пружины:

(

тіп

оп

360° ,

ау-| /о + /о • ЇІп------- 1 +

Л

, „ „ . 360° 360

+ ах-| /о • /т + ЇІп^-------------/о • СОЇ

2 • п

2 • п

тс

360° _ 360° _ _

ЇІп~----------/о • СОЇ~-----/с • /т

2 • п

2 • п

В приведенных выражениях относительные усилия осевой и браслетной пружин сегментного уплотнения зависят только от коэффициентов трения и условий полета летательного аппарата, и позволяют, в зависимости от размера и материала сегментов, определить минимальное необходимое усилие пружин.

Схема смещения сегмента кольца приведена на рис. 6.

здесь 8 - зазор между торцовой поверхностью корпуса и торцем смещенного (сдвинувшегося) сегмента.

Из-за того, что сегментные уплотнения работают при низких перепадах давления, подъемная сила в радиальной уплотнительной щели незначительна, а при запуске и останове агрегата в определенные моменты времени отсутствует. В связи с этим актуальной является задача определения усилий браслетной и осевой пружин, при которых выработка внутреннего диаметра сегментного кольца минимальна. Схема сил, действующих на сегмент кольца при взаимном контакте кольца и ротора, приведена на рис. 7.

Я

/

бп

Рис. 7. Схема сил, действующих на сегмент кольца при взаимродействии кольца и ротора

Условие минимальной выработки при отсутствии гидромеханической подъемной силы можно записать следующим образом:

Я >± тс • ау + + 2 • р6п • їіп

180°

где Я = тр  кр  кн в^а2 - равнодействующая сил,

действующих на кольцо со стороны ротора (динамическая нагрузка); кр = ку ± 1 - коэффициент динамической

нагрузки, учитывающий влияние прогиба на

тс • а

X

т

с

центробежную силу, вызванную дисбалансом, знак «+» относится к докритическому режиму работы, «-» - к закритическому;

(Щ/Щр )2

к =

1 -(Мф )2

коэффициент

динамического прогиба; кн - коэффициент, учитывающий влияние расположения роторной части уплотнения относительно центра масс, влияние опор ротора на величину усилия в контакте кольцо/ротор, он всегда меньше 1; е - динамическое биение (эксцентриситет) ротора;

ртр т - сила трения по торцу кольца;

тр - масса ротора;

со - частота вращения ротора;

окр - критическая частота вращения ротора.

Выражение для определения силы трения по торцу кольца приведено ранее.

Как правило, если величина силы Я превышает равнодействующую остальных сил, то кольцо после соударений с ротором сдвигается в радиальном направлении. Если нет, но сила Я достаточно велика, идет выработка уплотнительных поверхностей кольца и ротора.

Запишем условие минимальной выработки внутреннего диаметра сегментного кольца при отсутствии гидромеханической силы с учетом уравнения для определения силы трения по торцу кольца:

Я > т • а +( ± т • а )• / + 2 • рб • їіп

с у \оп с X/ -У т бп

360° 2 • п

Из этого уравнения определим усилие осевой пружины, при котором выработка минимальна:

(

тр • кр • кн • ео2 - тс • ау ± тс • ах • / -

360°

Л

- 2 • рбп • ЇІп-

2 • п

/т

минимальны. Один из способов избежать выработок - «пушечный» запуск - запуск с большим градиентом нарастания параметров: частоты вращения ротора, давлений в полостях, расхода. Другим способом может служить запуск через предварительную ступень при следующем условии со > а>іІт.

Зная усилие осевой пружины можно определить аЫт\

і р Л — • /т + тс • а ± тс • ах • / +

п

+ 2 • рбп •ЇІп

360° 2 • п

тр • кр • кн • е

Для сегментного кольца, выполненного с зазорами между сегментами - натягом по ротору, запишем условие прижатия уплотнительного диаметра сегментов кольца к валу.

о/тг\0

2 • Рб • їіп----------------2 • т • а - 2 • р = 0

бп ^ су тр

2 • п

Силу трения по торцу каждого из сегментов можно определить по зависимости ранее приведенной для колец с зазором по валу:

С учетом уравнения для силы трения уравнение (4) можно записать следующим образом:

Рбп • ЇІп

3600 2 • п

роп

п

Л

± т„ • а.

/т = 0.

Из этого выражения получим соотношение для определения минимального усилия браслетной пружины, необходимого для обеспечения

постоянного прижатия уплотнительного диаметра всех сегментов кольца к ротору:

Рбп >

р

тс • ау + /т • тс • ах + — • /т

________________п

. 3600

2 • п

В случае:

1 тр • кр • кн • е0 - тс • ау ± тс • ах • /т-Л

- 2 • рбп • ЇІп

360° 2 • п

/т

Другим важным аспектом работы сегментных уплотнений, выполненных с зазором по стыку между сегментами, является обеспечение прижатия каждого из сегментов кольца к рабочему торцу корпуса. Условие прижатия каждого из сегментов кольца к рабочему торцу можно записать следующим образом:

уплотнение с сегментным кольцом работает как обычное щелевое. Условие (4) характерно для всех уплотнений с подпружиненными полуподвижными, сегментными, плавающими кольцами при определенных частотах вращения со[юцт. Для сохранения высокой работоспособности указанных уплотнений желательно иметь значение со^ как можно ниже, так как при низких частотах вращения силы, действующие на кольцо со стороны ротора

р

оп > р11 тр

п

Силу трения между сегментом кольца и ротором можно определить в соответствии со следующей зависимостью:

=| р6 • Їіп

тр бп

360° 2 • п

со,,.. =

ііт

где /р - коэффициент трения между кольцом и

ротором.

С учетом уравнения для определения силы трения между сегментом кольца и ротором минимальное усилие осевой пружины,

обеспечивающее гарантированное прижатие каждого из сегментов кольца к торцу корпуса можно определить в соответствии со следующей зависимостью:

тт (я  360° ± 1 /

Кп = п А Р'бп  ь1п---± тс  ау Ь / .

I 2 п )

Сила трения кольца о торец корпуса и усилие браслетной пружины создают радиальное усилие на вал, которое будет его деформировать, нагружать подшипники вала, и кроме того, вызовет на валу момент и мощность трения, которые должны преодолеваться приводом. Под действием давления вала на внутреннее отверстие кольца размеры внутреннего диаметра постепенно увеличиваются, приводя к увеличению утечек через уплотнение. Таким образом, кольца, на которые действует больший перепад давления, изнашиваются больше и быстрее.

В случае биения вала относительно корпуса вал перемещает кольцо относительно втулки, что ведет к возникновению силы трения между кольцом и втулкой, которая определяется уравнением (3).

Мощность трения кольца о втулку можно определить по следующей зависимости [1]:

N = F ,

тр.вт тр.т Г% ’

где §А - биение рала в месте установки уплотнительного кольца.

Кроме того, на ротор со стороны кольца действует сила трения, вызываемая усилием прижатия кольца к ротору. Так как сегментные уплотнения работают при низких перепадах давления, усилие прижатия кольца к ротору будет определяться усилием браслетной пружины, стягивающей сегменты уплотнения между собой. В этом случае момент трения кольца о ротор определяется следующим соотношением:

„ _п • D

трр 2

• b-F6н • k • /р

где Ь - ширина контакта сегментного кольца с ротором;

к - коэффициент, учитывающий влияние скорости скольжения на коэффициент трения

между кольцом и валом [2].

Коэффициент к можно определить по зависимости, приведенной в [2]:

0,8

k = -

+ 0,2.

Мощность трения кольца о ротор определяется по следующей зависимости:

П Б2

Nтр.р =— •« Ь ^  к  /р .

Суммарная мощность трения складывается из суммы мощностей трения кольца о корпус и о ротор. С учетом того, что вся мощность трения преобразуется в тепло в зоне контакта кольца и ротора, кольца и втулки материал кольца должен обладать достаточной теплопроводностью, чтобы отводить тепло из зоны контакта, не допуская чрезмерного повышения температуры роторного и статорного элементов уплотнения.

Полученные для относительных усилий осевой и браслетной пружин сегментного уплотнения выражения позволяют, в зависимости от размера и материала сегментов, определить минимальное необходимое усилие пружин в зависимости от коэффициентов трения и условий полета летательного аппарата.

Таким образом, при проектировании сегментных уплотнений необходимо подбирать усилия браслетной и осевой пружин таким образом, чтобы обеспечит контакт между каждым из сегментов кольца, а для кольца с зазором между сегментами - постоянный контакт между кольцом и ротором. В то же время необходимо обеспечить минимальную выработку внутреннего диаметра кольца, минимальные потери мощности на трение.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013, ГК № 14.740.11.0152.

Литература

1. Раздолин М.В. Уплотнения авиационных гидравлических агрегатов / М.В. Раздолин. - М.: Машиностроение, 1965. - 196 с.

2. Комиссар А.Г. Уплотнительные устройства опор качения / А.Г. Комиссар. - М.: Машиностроение, 1980. -192 с.

Воронежский государственный технический университет

POWERPLANT TURBOMACHINES SEGMENT SEALS ARE ANALYSIS FEATURES

A.V. Ivanov

In the article described segment seals design schematic, features and place such kind of seals in powerplant turbomachines schematic, and given some questions and features of the axial and bracelet springs for reliable seal design.

Key words: seal, spring, segment, ring