CC BY
31
УДК 621.438:62-762
Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, М. А. Гребенников, Л. Л. Каминская
ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРЕННЕГО ДИАМЕТРА УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ЩЕТОЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ ГТД
В данной статье рассматриваются различные способы формирования внутреннего диаметра уплотнителъного элемента (УЭ) щеточного уплотнения (ЩУ) ГТД, а также отмечены возникающие проблемы при обработке данными способами. Исследования выполнены на ЩУ, разработанных на предприятии ГП«Ивченко-Прогресс». Наряду с этим предлагается метод формирования и доводки внутреннего диаметра УЭ при рабочих условиях эксплуатации ЩУ на специальной установке. Кроме того, описаны его преимущества перед осталъными способами обработки.
Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами
Щеточные уплотнения (ЩУ) стали предметом пристального внимания и изучения крупный исследовательских зарубежных центров еще в начале восьмидесятых годов прошлого столетия. Учитывая преимущества и недостатки лабиринтных уплотнений (ЛУ), на современный авиационных газотурбинных двигателях стали применять ЩУ, имеющие более высокую эффективность. В настоящее время среди отечественный предприятий разработкой ЩУ активно занимается ГП «Ивченко-Прогресс». На предприятии уже разработан технологический процесс получения уплотнительных элементов и изготовлена партия щеточных уплотнений для проведения всего комплекса испытаний с последующей постановкой на изделие. При этом постоянно ведутся работы по усовершенствованию конструкции и технологии изготовления уплотнений. И на сегодняшний день остается одной из проблем — это формирование внутреннего диаметра уплотнитель-ного элемента (УЭ). Здесь имеются как конструкторские вопросы по определению монтажного зазора, допуска на внутренний диаметр уплотнения, так и технологические, по выполнению этих требований. Качество обработки внутреннего диаметра пакета является основным параметром, влияющим на гибкость и податливость волокон. В свою очередь за счет данных свойств ЩУ способны значительно снижать утечки в двигателе и в целом влиять на расходную характеристику, которая является основным критерием оценки работоспособности уплотнения, что также отмечено в предыдущих публикациях [1, 2].
Цель работы
Целью настоящей работы является исследование различных способов формирования внутреннего диаметра УЭ ЩУ ГТД. Для достижения цели
быта поставлена задача — выбрать оптимальный и рациональный способ выполнения данной операции, который дал бы наилучшее качество поверхности и в дальнейшем позволил обеспечить наилучшие параметры работы двигателя.
б
Рис. 1. Щеточное уплотнение ГТД (а), уплотнительный элемент (УЭ) до обработки (б)
Содержание и результаты исследований
На предприятии уплотнения выполнены в различном конструкторско-технологическом исполнении (рис. 2). Испытуемые уплотнения были изготовлены для работы с валом 0 90 мм. Но на сегодняшний день перед нами стоит задача не только о формировании внутреннего диаметра, а также о допуске на его размер. Из нашего начального опыта и многолетнего опыта иностранных фирм можно отметить три варианта сопряжения уплотнения с валом:
1) по посадке с натягом;
© Э. В. Кондратюк, С. Д. Зиличихис, М. А. Гребенников, Л. Л. Каминская, 2009
2) по посадке с зазором и допуском на внутренний диаметр ЩУ (± 0,12) мм (рис. 3) [4];
3) по посадке с зазором и жестким допуском на внутренний диаметр ЩУ (+0,05) мм, который мы стремимся достичь при изготовлении уплотнений.
0.4
Рис. 2. Два варианта конструкции ЩУ:
а — сварная конструкция; б — завальцованая конструкция; 1 — пластина покрытия (защитная); 2 — пластина поддержки (опорная); 3 — уплотнительный элемент
Однако согласно зарубежной литературе [3, 4] внутренний диаметр УЭ в процессе работы на двигателе притирается, и со временем устанавливается стабильный зазор между ротором и сопрягаемым с ним ЩУ, что видно на графиках (рис. 3).
Вместе с тем имеются проблемы точного измерения внутреннего диаметра из-за прилагаемого усилия щупа к ворсу уплотнительного пакета, так как он является нежесткой технологической системой, что в свою очередь отражается на точности размера (рис. 4).
У нас еще не достаточно опыта дать ответ, какой из этих трех вариантов сопряжения является наиболее рациональным для формирования внутреннего диаметра УЭ. Однако мы нашли оптимальный способ, который даст возможность объединигь все три рассмотренных варианта. Данный способ заключается в приработке внутреннего диаметра пакета на специальной установке, принцип работы, которого описан ниже.
Мы шли по пути изготовления щеточного уплотнения с жестким допуском на внутренний диаметр (+0,05) мм и его установки с определенным монтажным зазором. Зазор был расчетным, и в зависимости от него назначен жесткий допуск на диаметр. Под эту схему было предложено несколько универсальных методов обработки внутреннего диаметра УЭ ЩУ и согласно им разработаны различные технологические процессы его формирования. Сложность обработки ворса возникала, также как и при его измерении, из-за не жесткости системы. Однако все виды обработки были опробованы.
Исследовались следующие способы, каждый из которых имел как преимущества, так и недостатки (см. табл. 1).
5
1
я
S ■
t ■
о
Ч
.
I ' < > Бдле 1 ■ &gre3
/ тек :deranoe
/ ' &gns4 . • &ejreS BigreS &gre7 . BgneS i
rant aldanneter
100 200 ЭТО
Время эксплуатации, часы
400
Время эксплуатации t
Рис. 3. Кривая износа волокон ЩУ от времени работы в двигателе
Рис. 4. Измерение внутреннего диаметра УЭ ЩУ на координатно-измерительной машине Wenzel
Таблица 1 — Способы формирования внутреннего диаметра УЭ ЩУ ГТД
Наименование способа Недостатки Преимущества
1 Шлифование поверхности кругом с наружным диаметром, равным диаметру вала Сложность шлифования кругом больших диаметров ЩУ Возможность получения точного внутреннего диаметра и высокого качества поверхности обрабатываемого ворса
2 Шлифование поверхности кругом с наружным диаметром, меньше диаметра вала в свободном состоянии ворса УЭ Неравномерная обработка внутреннего диаметра в результате высокой податливости волокон УЭ (нежесткая технологическая система)
3 Шлифование поверхности кругом с наружным диаметром, меньше диаметра вала в зажатом состоянии ворса УЭ Необходимо корректировать шлифуемый диаметр, заданный чертежом; не на каждой конструкции имеется возможность зажимать ворс УЭ Жесткая технологическая система при шлифовании; возможность получение высокого качества поверхности обрабатываемого ворса УЭ
4 Электроэрозионная обработка поверхности электродом с планетарной обработкой до требуемого диаметра Ограниченные габариты ванны электроэрозионного станка АСТТЯОМ 2и, в случае изготовления ЩУ с внутренним диаметром больше 300 мм возможность получения точного внутреннего диаметра и высокое качество поверхности обработанного ворса
Кроме того, как уже отмечено в предыдущих публикациях, особое внимание должно быть направлено на длительную эксплуатацию и долговечность ЩУ при работе в ГТД [1, 2]. А также на обеспечение стабильных параметров работы двигателя, как в начале, так и на протяжении последующей его работы. Существует проблема радиального износа волокон и ротора, а особенно износ при условиях на переменных режимах. Износу проволоки способствует разница осевого давления через щетку [3]. Из рисунков 3 и 5 сделан вывод, что щеточные уплотнения будут приспосабливаться к рабочим условиям за их жизненный цикл.
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 [4].
Проанализировав графики, представленные в зарубежной литературе [3,4], мы предлагаем компенсировать первоначальный износ волокон УЭ, т.е. участок кривой от 0 до 150 часов работы ЩУ на графике, за счет внедрения приработки уп-лотнительного пакета до постановки изделия на двигатель. Это позволит приблизительно на 75 % уйти от износа пакета и сопрягаемого с ним вала еще до эксплуатации ЩУ. Чтобы исключить эту зону износа, и на двигателе работать с постоянным монтажным зазором, дающим относительно установившийся расход воздуха, нами был предложен метод притирки внутреннего диаметра УЭ ЩУ ГТД.
Данный метод заключается в притирке внутреннего диаметра при рабочем давлении на УЭ по определяющим расходным характеристикам. Кроме того, его можно применять после обра-
ботки диаметра универсальными способами. Для этого на предприятии запроектирована специальная установка, которая в свою очередь позволит не только выполнять доводку внутреннего диаметра, а и как отмечено выше, компенсировать первоначальный износ волокон УЭ до постановки ЩУ на двигатель за счет применения
в
Рис. 5. Поперечное сечение УЭ после 30 месяцев (>20000 часов) непрерывной эксплуатации:
а — возле опорной пластины; б, в — возле защитной пластины
в качестве инструмента вала-имитатора, обладающего режущими свойствами. Изготавливаемое приспособление даст возможность:
- прирабатывать внутренний диаметр УЭ ЩУ при рабочем давлении и оборотах вала по определяющим расходным характеристикам;
- задавать радиальные и осевые смещения, имитирующие врезания ротора при эволюциях самолета и температурное расширение вала при работе двигателя;
- испытывать ЩУ диаметром до 450 мм, за счет переналадки приспособления;
- зафиксировать и исследовать поведение волокон УЭ при подаче воздуха под давлением;
- возможность исследования ЩУ в статическом и динамическом положениях;
- предотвратить повреждение ротора (его износ и образование канавки шириной равной толщине уплотнительного пакета) при его первоначальном сопряжении с ЩУ;
- практически определить монтажный зазор, полученный после установившихся расходных характеристик.
Выводы
В ходе проведенной работы были опробованы и исследованы следующие виды обработки внутреннего диаметра УЭ ЩУ:
- шлифование поверхности кругом с наружным диаметром равным диаметру вала,
- шлифование поверхности кругом с наружным диаметром меньше диаметра вала в свободном состоянии ворса УЭ,
- шлифование поверхности кругом с наружным диаметром меньше диаметра вала в зажатом состоянии ворса УЭ,
- электроэрозионная обработка поверхности электродом.
Рассмотренные способы могут применяться в зависимости от конструкторско-технологическо-го исполнения ЩУ. Однако наряду с этими видами обработки, предложен более рациональный метод формирования и доводки внутреннего диаметра УЭ на специальной установке, что позволит компенсировать износ волокон уплотнительного
Рис. 6. Схема специальной установки для доводки внутреннего диаметра УЭ
пакета и сопрягаемого с ним вала приблизительно первые 150 часов работы и установить стабильный зазор между ЩУ и ротором, определяющий расходную характеристику уплотнений ГТД.
Перечень ссылок
1. Элементы технологии изготовления щеточного уплотнения ГТД и его экспериментальные исследования в статическом положении / [Л. Л. Каминская, Э. В. Кондратюк, С. Д. Зили-чихис и др.] // Вестник двигателестроения. — 2008. -№ 1.-С. 71-74.
2. Сравнительный анализ щеточного и лабиринтного уплотнений ГТД / [Г.И. Пейчев, Э.В. Кондратюк, С.Д. Зиличихис и др.] // Вестник двигателестроения. — 2009. — № 1. — С. 66-70.
3. 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.
4. Alfons Gail. The MTU Brush Seal Design / Alfons Gail, Stefan Beichl // MTU Aero Engines. -Germany, Munich. - P. 1-11.
Поступила в редакцию 03.07.2009
y u,iu cmammi po3znanymo pisHOMaHimni cnoco6u fyopMyeamn eHympiwHbozo diaMempy yw^inbHmeaAbHozo eneMenmy (YE) wimKoeozo yw,Mb№Hm my ETfi, a maKow oKpecneno euHUKamni npo6neMu npu o6po6u>i 3a3HaneHUMu cnoco6aMu. flocmdweHHn euKoHaHo Ha my, po3po6neHUx Ha nidnpueMcmei fin «leneHKo-Ipozpec». Bopnd i3 u,um 3anponoHoeaHo Memod (popMyeaHHH ma doeedeHm eHympimmozo diaMempy YE npu po6onuxyMoeax eKcnnyamau,ii lU^Y Ha cneu,ianbHiu ycmameu,i. KpiM mozo, onucaHo uozo nepeeazu Had iHmuMu cnoco6aMu o6po6Ku.
In this article various ways of forming an internal diameter in the packing element (PE) of brush seal (BS) GTE are considered; the arising problems during the processing have been observed as well. Investigations have been carried out using BS developed at the state enterprise «Ivchenko-Progress». Along with it is offered a method of using a special mounting for forming and accurate grinding of an internal diameter in the PE by exploitation of BS under its operating condition. Besides, its advantages in comparison with other methods of processing are described.
