Ю.В. Рублевский, Е.А. Бандурко, Ю.А. Зеленый, А.Е. Занин. Опыт

УДК 621.438-762
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЩЕТОЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ
В ТУРБИНЕ ДВИГАТЕЛЯ Д-27
Ю.В. Рублевский, Е.А. Бандурко, Ю.А. Зеленый, А.Е. Занин,
Запорожское машиностроительное конструкторское бюро «Прогресс» им. А.Г. Ивченко,
г. Запорожье, Украина
На протяжении всей истории создания газотурбинных двигателей актуальной была задача повыше-
верхности ротора в целях уменьшения трения волокон
щеточного уплотнения о роторную деталь.
ния эффективности его узлов. Одним из направлений
Зарубежные информационные источники говорят
решения этой задачи всегда оставался вопрос сниже-
об отработке и проверке работоспособности и эффек-
ния паразитных утечек воздуха, отбираемого в ком-
тивности таких уплотнений на фирмах «Ролс-Ройс»,
прессоре для нужд турбины (охлаждение, создание
«Дженерал Электрик», Сименс, Мицубиси, Вестенха-
перепадов давлений в опорах, компенсация осевого
уз и ряде других фирм, занимающихся разработкой и
усилия на подшипники). Снижение утечек достигает-
эксплуатацией стационарных ГТД [3].
ся за счет совершенствования уплотнений. До на-
В настоящей работе представлено прямое сравне-
стоящего времени в газотурбостроении основным
ние эффективности щеточных и лабиринтных уплот-
видом уплотнения между статорными и роторными
нений на турбине двигателя Д-27, в системе компен-
узлами являются лабиринты (различные по конструк-
сации осевого усилия (КОУ) турбины винтовентиля-
ции и по эффективности), величина утечек через ко-
тора (ТВВ).
торые зависит от многих факторов, а именно: конст-
Условия работы системы уплотнений: обороты ро-
руктивного исполнения, величины радиального зазора,
тора ТВВ 8440 об/мин, линейные скорости в уплотне-
количества и геометрии гребешков, динамики взаим-
ниях до 160 м/с, давление воздуха в разгрузочной по-
ных перемещений ротора и статора, особенностей ра-
лости 710 кПа, температура 420 °С.
Для оценки эффективности исследуемых щеточ-
боты энергоустановки, технологии изготовления [1].
Ведущие мировые разработчики авиационных и
ных уплотнений выполнялась специальная препари-
стационарных газотурбинных двигателей (ГТД) за-
ровка для замера давления в полости КОУ и для заме-
трачивают значительные усилия на разработку, испы-
ра давлений и температур воздуха в трубопроводе
тания и внедрение более эффективных уплотнений,
подвода воздуха на компенсацию осевого усилия (для
одними из которых являются щеточные уплотнения.
определения расхода воздуха). Препарированный
Имеется целый ряд научно-исследовательских ра-
трубопровод подвода воздуха перед постановкой на
бот по разработке и внедрению щеточных уплотне-
двигатель проходил специальную тарировку «холод-
ний.
ной» продувкой в целях определения расходной ха-
NACA выполнено сравнение эффективности лаби-
рактеристики. Детали в районе щеточного уплотнения
ринтного и щеточного уплотнений за компрессором
препарировались датчиками ИМТК (измеритель мак-
на двигателе YT-700 [2].
симальной температуры кристаллический) для опре-
Щеточные уплотнения представляют собой коль-
деления температурного состояния.
цевую щетку из металлических проволочек малого
Конструкция исходной системы лабиринтных уп-
диаметра из сплавов на основе никеля, хрома, кобаль-
лотнений в полости КОУ и место замера давлений в
та, вольфрама или неметаллических волокон. Прово-
полости представлены на рис. 1.
лочки располагаются под углом к сопрягаемой по93
Рис. 3. Конструкция щеточного уплотнения при
Рис. 1. Исходная система уплотнений КОУ ТВВ
сборке № 1
На рис. 2 показаны зависимости давления в полос-
Замеры давлений в полости КОУ при выполнении
ти КОУ от приведенного давления за компрессором
испытаний конструкции щеточных уплотнений, изо-
высокого давления (КВД) для исходной системы ком-
браженной на рис. 3, приведены на рис. 4.
пенсации осевого усилия.
Рис. 4. Зависимость давления в полости КОУ от
давления за КВД (сборка № 1)
Рис. 2. Зависимость давления в полости КОУ в
Во время испытаний было отмечено падение дав-
исходной системе от давления за КВД
ления в полости КОУ, после разборки двигателя и
Замеры давлений выполнялись на двух двигателях
Д-27: № 2704 и № 2709.
контроля ЛЮМ1-ОВ на роторном кольце верхнего
щеточного уплотнения были обнаружены трещины,
В процессе доводки щеточных уплотнений было
которые и явились причиной падения давления в по-
выполнено 3 сборки и испытания двигателя с различ-
лости КОУ. Вероятная причина появления этих тре-
ными конфигурациями роторных деталей щеточных
щин – аэроупругие колебания роторного кольца.
В целях устранения этого дефекта на сборку № 2
уплотнений.
Конфигурация щеточных уплотнений в полости
двигатель был собран с роторным кольцом, усилен-
КОУ на двигателе при сборке № 1 представлена на
ным двумя буртами. Данная конструкция верхнего
рис. 3.
щеточного уплотнения представлена на рис. 5.
94
При проведении испытаний двигателя, собранного
рается на корпус со стороны ротора (см. рис. 7).
со щеточными уплотнениями, представленными на
После испытаний последней конструкции щеточ-
рис. 5, также было отмечено некоторое снижение дав-
ного уплотнения (сборка № 3) при разборке двигателя
ления в полости КОУ. Результаты замера давлений в
и контроле ЛЮМ1-ОВ на роторном кольце трещин не
полости КОУ приведены на рис. 6.
обнаружено. Результаты замера давлений в полости
КОУ приведены на рис. 8.
Рис. 7. Конструкция щеточного уплотнения при
сборке № 3
Рис. 5. Конструкция щеточного уплотнения при
сборке № 2
Рис. 6. Зависимость давления в полости КОУ от
давления за КВД (сборка №2)
После разборки двигателя и контроля ЛЮМ1-ОВ
на верхнем кольце опять были обнаружены трещины.
Дальнейшая модернизация узла щеточного уплотнения (сборка № 3) в полости КОУ представлена на рис. 7.
Рис. 8. Зависимость давления в полости КОУ от
давления за КВД (сборка №3)
На основании полученных данных можно сделать
вывод о том, что в процессе работы происходит приработка щеточных уплотнений, которая приводит к
некоторому увеличению их пропускной способности,
вследствие чего давление в полости КОУ снижается.
Данная модернизация заключалась во введении в конст-
Относительный расход воздуха (отношение расхо-
рукцию роторного кольца с одним высоким буртом,
да воздуха, замеренное в трубе подвода, к расходу
расположенным в осевом направлении строго под ще-
воздуха на входе в компрессор низкого давления
точным уплотнением. Кроме того, кольцо крепления
(КНД)) на двигателях 2704, 2709 с лабиринтными уп-
щеточного уплотнения на статоре дополнительно опи-
лотнениями составил 1,149…1,668%.
95
Расход воздуха, при работе со щеточными уплот-
Расчеты показали отсутствие резонанса между ро-
нениями составлял величину порядка от 1,007 до
торными гармониками и собственными частотами
1,188%.
колебаний роторных и статорных колец уплотнений.
Расходы воздуха, замеренные при испытаниях,
Резонансная диаграмма изображена на рис. 9.
представлены в табл. 1.
Формы колебаний роторных колец из сборок 1 и 2
Таблица 1
(рис. 3, 5) позволяют говорить о явлении подсоса газа
Расходы воздуха на КОУ для лабиринтных
и щеточных уплотнений
Наименование
уплотнительного
элемента
Лабиринт
на дв.2704
Лабиринт
на дв.2709
Щетки при сборке
№1
Щетки при сборке
№2
Щетки при сборке
№3
Расход
воздуха,
кг/с
Расход
воздуха, %
0,492
1,668
0,339
1,149
0,308
0,349
0,347
0,299
0,320
0,348
1,028
1,183
1,172
1,007
1,094
1,188
Температура щеточного кольца, замеренная датчиками ИМТК (измеритель максимальной температуры кристаллический) в процессе испытаний составляла порядка 410°С.
Давление в полости КОУ, замеренное в конце испытаний щеточных уплотнений, оказалось ниже на
0,05…0,50 кгс/см2, по сравнению с замерами давлений на двигателях 2709 и 2704 с исходной конструкцией узла (лабиринты). В первом приближении щёточное уплотнение по эффективности примерно рав-
Рис. 9. Резонансная диаграмма деталей щеточного
уплотнения двигателя Д-27
нозначно двойному ступенчатому лабиринтному уп-
и возбуждении акустических колебаний под действи-
лотнению с девятью гребешками.
ем круговых волн давления в полости над роторным
Вероятной причиной появления трещин усталост-
кольцом уплотнения. Возникающее при подсосе раз-
ного характера при малой наработке деталей является
ряжение вызывает дополнительную силу, изгибаю-
возбуждение резонансных явлений или автоколеба-
щую кольцо и уменьшающую зазор между роторным
тельных процессов.
и статорным кольцами, при этом подсос снижается,
Для расчёта собственных частот колебаний ротор-
давление уменьшается и прогиб кольца уменьшается,
ных и статорных колец уплотнений использован цик-
это вновь вызывает увеличение подсоса и обуславли-
лосимметричный сектор деталей, не закреплённый и
вает дополнительную возможность колебания кольца.
жёстко закреплённый по месту расположения болто-
Возбуждение акустических колебаний происходит
вых соединений. Закрепление роторного кольца вы-
в системе состоящей из двух подсистем: механиче-
полнено со стороны большего давления, а статорных
ской и акустической. Роторное кольцо выполняет
колец - со стороны меньшего давления.
роль затвора и при совпадении частоты колебаний
механической системы и числа волн по окружности
96
акустической системы наступает акустический резо-
ны изменения в конструкции деталей уплотнения.
нанс. Параметры акустической системы зависят от
Конструкция роторного кольца из сборки 3 (рис. 7)
температуры, скорости вращения ротора и скорости
с одним высоким буртом под местом контакта со ще-
вращения газа, который увлекается во вращение трени-
точным уплотнением такова, что зазор при колебани-
ем о ротор.
ях роторных и статорных колец стабилизирован, под
Существуют известные методы для устранения
местом контакта со щеточным уплотнением конст-
этого явления: отстройка от частоты акустического
руктивно организована узловая окружность. Наличие
резонанса механической или акустической системы;
узловой окружности препятствует возникновению
увеличение акустического демпфирования; увеличе-
явления подсоса газа из КОУ в полость над роторным
ние механического демпфирования; конструктивные
кольцом при колебаниях роторного кольца.
изменения. Для устранения данного дефекта проведе-
Изменённая конструкция статорного кольца уплотнения уменьшает массу газа в полости над роторным кольцом уплотнения и делает конструкцию более
жёсткой.
Работоспособность конструкции щеточного уплотнения обеспечивается применением ротора ТВВ с
кольцом, имеющим один высокий бурт под местом
контакта со щетками и статором, в котором кольцо
крепления щеточного уплотнения опирается на корпус (рис. 7).
В настоящее время продолжаются работы по дальнейшему обеспечению работоспособности и повышению эффективности щеточных уплотнений.
Литература
1.
Скубачевский Г.С. Конструкция и расчет де-
талей газотурбинных двигателей: Уч. пособ.- М.:
Машиностроение, 1981.- 550 с.
2.
Relative Performance Comparison Between
Baseline Labyrinth and Dual-Brush Compressor Discharge Seals in a YT-700 Engine Test / R.C. Hendricks,
T.A. Griffin,
D. Sood
//
T.R. Kline,
NASA
K.R. Csavina,
Technical
A. Pancholi
Memorandum.-1994.-
№ 106360.- 23 р.
3.
Steinetz B.M., Hendricks R.C. Engin Seal Tech-
nology Reguirements to Meet NASA’s Advanced Subsonic
Technology
Program
Goals
//
AIAA-94-
2698,Indianapolis, 1994.- 11 р
Поступила в редакцию 18.05.03
Рис. 10. Формы колебаний роторных колец
щеточного уплотнения двигателя Д-27
Рецензенты: Гл. констр. Г.Р. Крицын, ГП ЗМКБ
«Прогресс» им. А.Г. Ивченко, г. Запорожье; д-р. техн.
наук. профессор С.В. Епифанов, Национальный аэрокосмический
университет
им. Н.Е. Жуковского
«ХАИ», г. Харьков.
97