CC BY
96
УДК 621. 438: 62-762
Л. Л. Каминская, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, М. А. Гребенников,
Ю. В. Рублевский, С. И. Хижняк
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЩЕТОЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ ГТД И ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В СТАТИЧЕСКОМ ПОЛОЖЕНИИ
В данной статье рассматриваются элементы технологии изготовления щеточного уплотнения (ЩУ) ГТД и представлено готовое кольцо, выполненное на предприятии ГП «Ивченко-Прогресс». Определен ряд преимуществ ЩУ перед лабиринтными уплотнениями. Описан выбор материала применяемой проволоки, сварочный метод крепления уп-лотнительных волокон конструкции, а также оптимальная плотность и количество слоев намотки проволочек в различных условиях работы. Проведены испытания по продувке в статическом положении контактирующей пары (вала и ЩУ). Выявлено поведение волокон при различном давлении, определен расход воздуха и проведен сравнительный анализ с зарубежным ЩУ. Как результат, в статье представлены графики, благодаря которым можно оценить результаты исследований.
Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами
Разработкой щеточных уплотнений начали интересоваться в конце 1983 года множество иностранных фирм и институтов таких, как MTU, Eaton, Cross, Nasa. Первоначально в 1986 году исследования ЩУ проводились на стендах и уже в 1992 году их испытали на двигателях. С 1998 года германская фирма MTU выпускает щеточные уплотнения для промышленных серийных двигателей и особенно они нашли применения в военных. Также работы по изготовлению ЩУ велись и на отечественных предприятиях ЦИАМ, НИИД, ММПП «Салют» однако на сегодняшний день готового кольца еще не получено. Наше предприятие ЗМКБ «Ивченко-Прогресс» в данной статье представляет достигнутые наработки по данной проблеме освоения технологии изготовления ЩУ.
Для уменьшения потерь между высокими и низкими областями давления в узлах турбины и компрессора ГТД, вместо лабиринтных уплотнений, все большее применение в области авиадвигателестро-ения находят щеточные уплотнения (ЩУ). Данный вид уплотнения, в отличие от лабиринтных, позволяет значительно упростить элементы сопрягаемых конструкций, их сборку и обеспечить постоянный минимальный зазор между ними. ЩУ предлагаются как альтернатива лабиринтным уплотнениям и имеет ряд преимуществ: потери уменьшаются на 1750 %, увеличивается надежность работы и возрастает конкурентоспособность в цене [1].
Условия работы ЩУ в двигателе определяют его конструкцию. Для газотурбинных двигателей ЩУ
представляет собой круглое кольцо, где пучок гибких волокон обжат или сварен между двумя рабочими кольцами под углом 45°.
Рис. 1. Фотография сегмента ЩУ
Рис. 2. Фотография ЩУ
© Л. Л. Каминская, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, М. А. Гребенников, Ю. В. Рублевский, С. И. Хижняк, 2008
Формирование плотно прилегающих проволочек и угол установки в паковку достигают преимущественно методом намотки. Навивку выполняют на специальную оправку, фиксируют набранное количество слоев и разрезают паковку металлической проволоки на лазерном либо электроэрозионном станке. Затем сваривают прямолинейные элементы и изгибают по требуемой форме уплотнения на специальном приспособлении. Окончательная точность заданного конструкторского размера на внутренний диаметр уплотнительного элемента достигается по специальной технологии. Эта технология изготовления направлена на устранение некоторых проблем. Во-первых, волокна уплотнения должны иметь достаточную упругость, чтобы компенсировать колебания радиального зазора в условиях высоких вибраций в двигателе, сводя протечки рабочей среды между разделяемыми полостями к допустимым значениям. Во-вторых, для обеспечения требуемой степени герметичности полостей, в частности ГТД, необходимо иметь определенное количество плотно уложенных металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары. Если плотность и количество слоев намотки будет велико, это приведет к увеличению жесткости щеточного элемента и, как следствие, к чрезмерному обжатию уплотняемой поверхности, что в дальнейшем приводит к снижению мощности на валу двигателя и его ресурса из-за быстрого износа контактирующих пар [2]. Поэтому учитывая, что ЩУ ГТД работает в условиях высоких скоростей и температур, металлическая проволока, используемая для их изготовления, выполняется из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе.
В данной работе применяется сварочный метод крепления уплотнительных волокон. В настоящее время сварочный процесс - ручной и качество сварного шва зависит исключительно от квалификации сварщика и правильно подобранных режимов. Однако проводятся и опытные работы по выполнению автоматической и лазерной сварки.
Изготовление уплотнительного элемента в данной работе выполняется из импортной проволоки на кобальтовой основе диаметром 0 0,07 мм. Данная проволока была исследована на определение химического состава, механических свойств и предельной рабочей температуры, в следствие чего было установлено, что она имеет предел прочности на растяжение ст = 1460 МПа и практически не меняется после кратковременных нагревов (1 час) в интервале температур 550-650 °С [4]. Ранее исследования проводились по отечественной проволоке из жаропрочного сплава ЭИ708А-ВИ, диаметром 0,09 мм. В результате чего было установлено, что она не пригодна из-за большой упругости. Выполняли тер-
мическую обработку ЭИ708А-ВИ, что привело к снижению прочностных свойств, а не упругости. Термообработаная проволока приобретает режущие свойства, что недопустимо при контактных взаимодействиях с ответной деталью [5]. Поиски альтернативной проволоки не дали результатов, так как в странах СНГ она не выпускается диаметром меньше 0,1 мм с необходимыми свойствами.
Выбор материала волокон, в основном, определяет технологичность изготовления уплотнения.
Таким образом, разработка оптимальной и стабильной технологии изготовления ЩУ, которое непременно придет на смену лабиринтным уплотнениям за счет своих преимуществ, является актуальным вопросом на сегодняшний день.
Цель работы
Целью настоящей работы является проведение экспериментальных исследований в статическом положении вала для определения расхода воздуха, постоянного минимального зазора между уплотни-тельной парой, отслеживание поведения волокон при различном давлении, и изменение внутреннего диаметра ЩУ. Результаты данных испытаний в дальнейшем дадут возможность стабилизировать технологический процесс изготовления ЩУ и оптимизировать его при различных условиях, что приведет к значительному снижению затрат.
Содержание и результаты исследований
Для проведения испытаний была спроектирована и изготовлена специальная камера.
ЩсТОЧ! ЮС ЫП/10Т1 101 1ИС /
Рис. 3. Схема камеры для испытаний
Испытуемое уплотнение изготовлено с внутренним диаметром 0 90 мм. Первоначально стремились к жесткому допуску на внутренний диаметр (+0,05) мм. Однако по результатам наблюдений было установлено, что естественное поведение волокон не позволяет достигнуть такой точности из-за ряда технологических факторов:
- усадка от длительности хранения;
- усадка от механических факторов, вибраций;
- изменение уплотнительного диаметра от температуры окружающей среды.
Затем был проанализирован отчет немецкой фирмы MTU, где суммарный допуск на внутренний диаметр составляет (±0,12) мм [3].
Но на сегодняшний день остается проблемой найти правильную методику контроля внутреннего диаметра. На данный момент замер диаметра осуществляют следующими способами: на измерительной машине «Wenzel»; на конусе; и от электрического касания, используя измерительные циклы эрозионного станка.
В ходе эксперимента исследуемое ЩУ устанавливалось на неподвижный вал камеры с зазором 0,2 мм. В корпус камеры постепенно подавался воздух под давлением Ртах = 4,7 атм.
Наблюдения дали следующие результаты:
1. Отслежено изменение угла волокон ЩУ, т. е. их выравнивание при постепенном увеличении давления и резкое возвращение проволочек в исходное положение при прекращении подачи воздуха. Наблюдается, так называемый, эффект гистерезиса. Петлю гистерезиса можно увидеть на графиках, во многом ее возникновение зависит от жесткости уплотнительных волокон. А на жесткость в свою очередь влияет плот-
ность намотки проволоки. Определено оптимальное количество слоев намотки для данной конструкции ЩУ
2. Установлено, что незначительные изменения внутреннего диаметра ЩУ, не влияют на поведение волокон при прямом и обратном ходе.
3. По изучению иностранных источников обнаружено, что поведение волокна испытанного ЩУ аналогично поведению зарубежных ЩУ.
4. Согласно графику, при нагружении давлением кривая потерь не растет, а выравнивается. т При этом расход исследуемого ЩУ составляет
70 * 100 см2 К 0,5с-1.
В заключение проведенных испытаний, уста -новлено, что исследуемое ЩУ не уступает зарубежным ЩУ по проверочным характеристикам.
Результаты продувки кольца
На рис. 4 приведены графики изменения расхода воздуха через щеточное уплотнение в зависимости от перепада давлений на входе в уплотнение и на его выходе, а также прямоточного, гладкого, че-тырехгребешкового лабиринтного уплотнения. Результаты были получены в процессе продувок, как щеточного, так и лабиринтного уплотнений, выполненных на предприятии.
Методика испытаний заключается в измерении физического расхода воздуха через щеточное уплотнение в процессе последовательного увеличения давления (Рвх) перед щеточным уплотнением (прямой ход) и постепенного снижения (обратный ход). Для сравнения выполнен расчет расходов воздуха лабиринтного уплотнения при тех же зазорах, диаметре, перепадах давлений. Физический расход для
Рис. 4. Статическая дроссельная характеристика исследуемого щеточного уплотнения в сравнении с характеристикой лабиринтного уплотнения
лабиринтного уплотнения определяли по формуле: ратном ходе).
G = ц.
P2 -P2
вх_вых
z х R х T
■X F
где G - физический расход воздуха через щеточное уплотнение;
Ц - коэффициент расхода воздуха лабиринтного уплотнения (Получен по результатам продувок лабиринтных уплотнений, выполненных на предприятии ранее);
z - количество гребешков в лабиринтном уплотнении;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура подаваемого воздуха;
Рвх - давление на входе в щеточное уплотнение;
Рв^!х - давление на выходе из щеточного уплотнения;
F - площадь проходного сечения лабиринтного уплотнения, равного площади проходного сечения щеточного уплотнения (площадь зазора между валом и щеточным уплотнением).
Далее рассчитывался приведенный расход воздуха через соответствующее уплотнение по формуле:
G = .
V Рех
Из графика видно, что щеточное уплотнение, при равных перепадах давлений, более чем в два раза лучше по расходным характеристикам, чем лабиринтное уплотнение.
В щеточном уплотнении, при прямом и обратном ходе наблюдается эффект «гистерезиса» (Разные величины расхода воздуха при прямом и об-
Перспективы дальнейших исследований
Последующие экспериментальные исследования должны быть направлены на их проведение в динамическом положении контактирующей пары (вала и ЩУ), а также со смещением вала от оси, что позволит максимально приблизиться к реальным условиям эксплуатации ЩУ
Выводы
Проведенные исследования показали, что на предприятии разработали технологический процесс получения уплотнительных элементов и изготовили партию щеточных уплотнений для проведения всего комплекса испытаний с последующей постановкой на изделие. При этом постоянно ведутся работы по усовершенствованию конструкции и технологии изготовления уплотнений, а также приспособлений для их получения и сборки.
Перечень ссылок
1. Raymond E. Chupp, Robert C. Hendicks. Sealing in Turbomachinery // NASA/Technical Memorandum-2006-214341.
2. Полегаев В. Н., Гейкин В. А., Способ изготовления щеточных уплотнений ГТД // Патент RU 2076 256 С1.
3. Alfons Gail, Stefan Beichl. - The MTU Brush Seal Design // MTU Aero Engines. - 1-11.
4. Исследование .№622/04 проволоки из сплава на кобальтовой основе - ГП ЗМКБ «Прогресс» им. А. Г. Ивченко, 2004.
5. Изготовление щеточных уплотнений из проволоки ЭИ708А-ВИ. Технический отчет ТО 75.0012005. - ГП ЗМКБ «Прогресс» им. А.Г. Ивченко, 2005.
Поступила в редакцию 20.09.2007
У поданш cmammi розглядаються елементи технологи виготовлення щткового ущшь-нення (ЩУ) ГТД та представлено готове кшьце, виготовлене на пiдприeмствi ГП «Пвченко-Прогрес». Визначено ряд переваг ЩУ перед лабiринтними ущшьненнями. Описано вибiр ма-терiалу використовуемого дроту, зварювальний метод кртлення ущшьнюючих волокон кон-струкцИ, а також оптимальна щшьтсть та кшьюсть шарiв намотування дротиювурьзнома-нтних умовах роботи. Проведено випробування по продуванню у статичному положеннi контактуючо'1 пари (валу та ЩУ). Виявлена поведтка волкон при ргзних тисках, визначенi втрати повтря та проведено порiвняльний анализ i3 закордонними ЩУ. Як результат, у статтi представленно графжи, завдяки котрим можна о^нити результати до^джень.
TThe elements offabrication method of a brush seal (BS) GTE are considered in this paper. Finished ring is presented, which is made at the enterprise «Ivchenko-Progress». А number of advantages brush seals over labyrinth seals have been determined. The choose of using bristle material and welding manner of clamp for bristle pack has been described and optimal density and amount of winding wire layers at the various operation conditions has been selected as well. The blow-down tests in static position of a contact pair (shaft and brush seal) are carried out. The bristle behavior at the different conditions has been revealed, consumption of air has been defined, and the comparative analysis with foreign brush seal has been conducted. As a result the graph, owing to which the above mentioned investigation can be estimated, is given in this paper.
