Сравнительный анализ щеточного и лабиринтного уплотнений ГТД

УДК 621. 438: 62-762

Г. И. Пейчев, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, М. А. Гребенников, С. И. Хижняк, Л. Л. Каминская

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЩЕТОЧНОГО И ЛАБИРИНТНОГО УПЛОТНЕНИЙ ГТД

В данной статье рассматриваются щеточные уплотнения (ЩУ) как альтернатива лабиринтным (ЛУ) ГТД. Проведен обзор отечественной и зарубежной литературы, и выполнен сравнительный анализ щеточного уплотнения с лабиринтным. Представлены графики и фотографии, благодаря которым можно оценить преимущество ЩУ перед ЛУ. Описаны конструкторско-технологические параметры ЩУ, влияющие на расходную характеристику уплотнения.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

На сегодняшний день в авиационной промышленности актуальным вопросом является повышение экономичности современных авиационных ГТД за счет повышения коэффициента полезного действия отдельных узлов. Одним из путей, позволяющих повысить КПД двигателя, является сведение к минимуму паразитных утечек воздуха в компрессоре и турбине, для чего применяют различные типы уплотнений в системе охлаждения и суфлирования.

В условиях высоких окружных скоростей и больших перепадов давления обычно используют лабиринтные уплотнения. Эффективность ЛУ зависит от величины радиального зазора, числа гребешков и их конфигурации. Однако минимальная величина радиального зазора определяется технологией изготовления, радиальным перемещением ротора, а также зависит от прогрева статорных и роторных узлов.

Действие ЛУ основано на торможении (завихрении) газа в узкой кольцевой щели с последующим расширением в смежной кольцевой щели, где давление преобразуется в скоростной напор; на выходе газа из щели давление восстанавливается, но только частично. Необратимые потери при завихрении-расширении приводят к потерям полного давления. Чем больше эти потери (т.е. чем меньше сечение щели и острее образующие ее кромки), тем меньше доля давления восстанавливается в камере и, следовательно, тем эффективнее работает уплотнение [1].

Можно упомянуть и о применении сотовых статорных лабиринтных колец для уменьшения радиального зазора. Благодаря тому, что сотовые статорные кольца имеют тонкие стенки сот, поверхность контакта с ротором примерно в 10 раз меньше, чем при обычном ЛУ. Это позволяет допускать сборку узла уплотнения с минимальны-

ми зазорами, при работе двигателя происходит приработка уплотнения за счет износа сотовых колец [2]. Однако изготовление сот, впайка их в соответствующие кольца детали и окончательная обработка в узле по размерам чертежа является сложным процессом, который включает в себя много ручных работ и ряд операций, выполняемых с использованием средств малой механизации или универсального оборудования [3].

Кроме лабиринтных, применяют контактные уплотнения, работающие при малых окружных скоростях и небольших перепадах давления. Обычно они изготавливаются на основе графита, что требует большой трудоемкости и точной сборки. Контактные уплотнения выходят из строя при повышенных вибрациях или осевом перемещении ротора.

Принимая во внимание преимущества и недостатки этих типов уплотнений, на современных авиационных ГТД стали применять щеточные уплотнения, имеющие высокую эффективность (рис. 1).

Цель работы

Целью настоящей работы является выполнение сравнительного анализа ЩУ с ЛУ по расходным характеристикам. На сегодняшний день

Рис. 1. Замена ЛУ на ЩУ в узле турбины ГТД

© Г. И. Пейчев, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, М. А. Гребенников, С. И. Хижняк, Л. Л. Каминская, 2009 - 66 -

на предприятии ГП «Ивченко-Прогресс» уже существует технологический процесс и изготовлены опытные образцы щеточных уплотнений (ЩУ) в различном конструкторско-технологическом исполнении. И с целью определения некоторых конструкторско-технологических параметров, которые влияют на величину потерь через уплотнение, выполнен обзор зарубежной литературы. Наш начальный опыт и многолетний опыт иностранных фирм дает возможность увидеть дополнительный ряд проблем при изготовлении и исследовании ЩУ, и спрогнозировать поведение ЩУ в работе. В результате чего предложены методы достижения необходимых параметров ЩУ, что в дальнейшем даст возможность выбрать рациональную конструкцию и стабилизировать технологический процесс изготовления ЩУ (рис. 2).

Так как ЩУ свойственна гибкость и податливость, они способны значительно уменьшать утечки за счет своей приспосабливаемости к конструкции и изменениям положения ротора в тур-бомеханизмах. И уже в начале 80-х ведущие зарубежные фирмы успешно применяли ЩУ в авиадвигателях [5].

Основной характеристикой оценки эффективности уплотнения является расходная характеристика. Выполнив обзор зарубежной литературы [6, 7, 8] можно сделать вывод, что в целом, при одинаковых зазорах, перепадах давления и др. условиях эксплуатации, расход воздуха через ЩУ в 2.. .5 раз ниже, чем у лабиринта (см. рис. 3, 4, 5).

Рис. 3. График зависимости расхода от перепада давления через ЩУ при различных зазорах в сравнении с типичным ЛУ [6, 7]

Рис. 2. Фотографии щеточного уплотнения ГТД

Рис. 4. График зависимости расхода от времени эксплуатации ЩУ в сравнении с ЛУ [8]

Содержание и результаты исследований

Идея использования щеток, как подвижного уплотнительного элемента, возникла еще в начале прошлого столетия [4].

Для газотурбинных двигателей ЩУ представляет собой круглое кольцо, где пучок гибких волокон обжат или сварен между двумя рабочими кольцами под углом 45°.

На рис. 5 представлены кривые изменения расхода воздуха через щеточные уплотнения, выполненные на предприятии, в зависимости от перепада давлений на входе в уплотнение и на его выходе, а также рассчитан расход прямоточного, гладкого, четырехгребешкового лабиринтного уплотнения. Исследования проводились с учетом одинаковых условий работы (давления на входе

1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2009

- 67 -

Рис. 5. Статическая дроссельная характеристика ЩУ, выполненных на ГП «Ивченко-Прогресс», в сравнении с характеристикой ЩУ зарубежной фирмы-производителя и четырехгребешковым ЛУ

и на выходе, температуры подаваемого воздуха, радиального зазора). С целью сравнения расходных характеристик ЩУ № 1 и № 2 приведена кривая расхода ЩУ зарубежной фирмы (из литературных источников). По результатам, приведенным на графике, можно оценить эффективность ЩУ.

За счет увеличения количества гребешков ЛУ можно достичь одинаковых значений расхода воздуха через ЛУ и ЩУ. Однако такое уплотнение будет значительно габаритнее, тяжелее, сложнее в изготовлении и технологии ремонта, следовательно, экономически невыгодно.

Таким образом, преимущества ЩУ по сравнению с ЛУ заключаются в следующем:

— эффективность в 2......5 раз выше;

— приспосабливаемость уплотнения к смещениям вала во время начала и конца работы двигателя и других кратковременных условий;

— компактность конструкции, и соответственно, значительно меньше осевой размер в узле;

— расход не зависит от уровня вибраций в двигателе;

— способность поддерживать относительно маленькие зазоры между уплотнительным пакетом и сопрягаемым с ним ротором за счет угла наклона волокон;

— конкурентоспособность в цене.

В свою очередь, на эффективность ЩУ влияет ряд геометрических параметров и материал уплотнительного пакета. Для выбора рациональной конструкции необходимо оценить влияние на расходную характеристику и экспериментально исследовать данный ряд параметров:

— диаметр проволоки;

— плотность пакета волокон (уплотнительно-го элемента);

— жесткость уплотнительного элемента (УЭ);

— длину волокна УЭ;

— выступающую высоту УЭ за опорную пластину;

— влияние зазора в защитной пластине;

— влияние геометрии опорной пластины;

— форму заделки УЭ в корпус;

— метод и режимы сварки для крепления УЭ с корпусом;

— технология гибки для получения кольце -образного УЭ из прямого элемента, которая в свою очередь влияет на плотность пакета ЩУ по всей его длине.

Особое внимание должно быть направлено на длительную эксплуатацию и долговечность ЩУ при работе в ГТД. Однако существует проблема радиального износа волокон и ротора, а особенно, износа в условиях переменных режимов. Износу проволоки способствует разница осевого

давления через щетку [8]. Из рисунков 4 и 6 сделан вывод, что щеточные уплотнения будут приспосабливаться к рабочим условиям за их жизненный цикл. Согласно зарубежной литературе [8, 9] внутренний диаметр УЭ в процессе работы на двигателе притирается, и со временем устанавливается стабильный зазор между ротором и сопрягаемым с ним ЩУ. График явно показывает, что после эксплуатации продолжительностью 50 часов первоначальная норма износа резко растет и кривая выравнивается только после 250 часов работы, что дает постоянную характеристику уплотнения. Износ ЩУ затем может увеличиваться только по причине высоких перегрузок и резких маневров в полете.

krush "^м! New С ЛщлДСПлЬс

Р № Щ их,

з и-*

Ejt rWbl

Рис. 6. Кривая износа волокон ЩУ от времени работы в двигателе [8, 9]

На зарубежной фирме Siemens PG несколькими осмотрами доказали, что щеточное уплотнение может приспосабливаться к рабочим условиям, и в результате контакта проволочек с ротором может поддерживать маленький эффективный зазор, и таким образом ЩУ способно обеспечивать непрерывно низкую утечку и улучшать производительность [8].

После 7 лет работы, уплотнительный пакет все еще сохраняет работоспособность (рис. 7).

Рис. 7. Щеточное уплотнение после 7 лет работы в

большой паровой турбине (вид со стороны низкого давления (выхода)) [8]

Перспективы дальнейших исследований

Последующие экспериментальные исследования должны быть направлены на изучение всех конструкторско-технологических параметров, влияющих на расходную характеристику ЩУ и, следовательно, на выбор рациональной конструкции и технологии изготовления.

С целью компенсации первоначального износа волокон на предприятии запроектировано и изготавливается специальное приспособление для доводки внутреннего диаметра ЩУ по определяющим расходным характеристикам. Данное приспособление даст возможность:

1 прирабатывать внутренний диаметр УЭ ЩУ при рабочем давлении и оборотах вала по определяющим расходным характеристикам;

2 задавать радиальные и осевые смещения, имитирующие врезания ротора при эволюциях самолета и температурное расширение вала при работе двигателя;

3 испытывать ЩУ диаметром до 450 мм за счет переналадки приспособления;

4 зафиксировать и исследовать поведение волокон УЭ при подаче воздуха под давлением;

5 исследования ЩУ в статическом и динамическом положениях.

ISSN1727-0219 Вестник ддвигателеатроения № 1/2009

- 69 -

Выводы

Выполнен обзор отечественной и зарубежной литературы, вследствие чего установлена актуальность темы по изготовлению щеточных уплотнений в настоящие время. С внедрением ЩУ в производство и постановкой их на изделие можно повысить КПД двигателя до 1,5% за счет повышения уплотняющих свойств, при снижении металлоемкости и веса конструкции.

Перечень ссылок

1. Основы конструирования : справочно-мето-дическое пособие: в 2-х кн. Кн. 1. / [Под ред. П. Н. Учаева]. — Изд. 3-е, испр. — М. : Машиностроение, 1988. — 560 с.

2. Скубачевский Г. С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей / Г. С. Скубачевский. — Изд. 5-е, перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1981. — 550 с.

3. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей / [ Братухин А. Г., Г. К. Язов, Б. Е. Карасев] ; под ред. А. Г. Братухи-на. — М. : Машиностроение, 1997. — 416 с.

1. Mehmet Demiroglu. An investigation of tip force characteristics of brush seals / Mehmet Demiroglu, Mustafa Gursoy, John A. Tichy // ASME Paper No. GT2007-28042. - Proceedings of Rower for Land, Sea and Air, Montreal, Canada, May 14-17, 2007. - P. 1-12.

2. J. Ferguson. Brushes as High Performance Gas Turbine Seals / J. Ferguson // ASME Paper No.88-GT-182, 1988.

3. Raymond E. Chupp. Sealing in Turbomachinery / Raymond E. Chupp, Robert C. Hendicks // NASA Technical Memorandum-2006-214341.

4. Fundamental design issues of brush seals for industrial application. Saim Dinc, Mehmet Demiroglu, Norman Turnquist [et al.] // ASME Paper No. 2001-GT-0400. - New Orleans, Louisiana, USA, June 4-7, 2001. - P.1-10.

5. Design features and performance details of brush seals for turbine applications / [Matthias Neef, Eric Sulda, Norbert Surken, Jan Walkenhorst] // ASME Paper No. GT2006-90404. - Proceedings of Rower for Land, Sea and Air, Barcelona, Spain, May 8-11, 2006. - P. 1-8.

6. Alfons Gail. The MTU Brush Seal Design / Alfons Gail, Stefan Beichl // MTU Aero Engines. -Germany, Munich. - P. 1-11.

Поступила в редакцию 06.10.2008

Уподанш cmammiрозглядаються щiтковi ущшьнення (ЩУ) як альтернатива na6ipuH-тним (ЛУ) ГТД. Проведено огляд втчизняно1 та закордонно1 лтератури та виконано порiвняльний аналiз щткового ущыьнетя з лабiринтним. Представлено графки та фотографа, завдяки яким можна ощнити перевагу ЩУ перед ЛУ. Описано конструкторсько-технологiчнi параметри ЩУ, якi впливають на витратну характеристику ущшьнення.

The paper is dedicated to brush seals (BS) as an alternative to labyrinth seals (LSs). The domestic and foreign literature review as well as a comparative analysis between a brush seal and a labyrinth seal are carried out. Graphs and photos to estimate advantages of BSs compared to LSs are also provided. Furthermore, BS design and technological parameters that may affect the seal meteinng characteristic are specified.