CC BY
76
УДК 62-762
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ УПЛОТНЕНИЙ КРИОГЕННЫХ НАСОСОВ
© 2009 А. В. Иванов
Воронежский государственный технический университет
Одна из основных проблем, возникающих при эксплуатации уплотнений насосов - контакт роторного и статорного элементов уплотнений при работе. Зачастую это связано с неправильным выбором рабочего зазора из-за некорректного учета термических деформаций элементов уплотнения.
Уплотнение, ротор, статор, термические деформации, температурный коэффициент линейного расширения, уплотнительный зазор, захолаживание
Одним из основных направлений в повышении эффективности и экологичности ЖРД является использование в качестве компонентов топлива криогенных компонентов: жидких кислорода, метана, водорода. Работа насосов, перекачивающих криогенные жидкости, характеризуется значительным изменением температуры при работе по сравнению с температурой при сборке. Температурные деформации элементов уплотнения могут привести к изменению размеров и взаимному перекосу осей элементов уплотнения. Это ведет к перераспределению давления в уплотнительном зазоре, изменению расходных и динамических характеристик уплотнения. Поэтому при проектировании криогенных агрегатов необходимо проводить анализ влияния температурных деформаций на достаточность зазоров в уплотнениях при: сборке, захолаживании; основном режиме работы; переходных режимах работы.
В общем случае радиальные температурные деформации уплотнения можно определить по следующей зависимости:
Траб.у Траб.р
дд = Ну ■ / аг (т) ёт - Яр ■ | ар (т) ат,
Тсб.у Тсб.р
Нр - радиус уплотнительного диаметра роторной части уплотнения;
Яу, - радиус уплотнительного диаметра статорной части уплотнения;
ар - температурный коэффициент линейного расширения материала роторной части уплотнения;
ау - температурный коэффициент ли-
нейного расширения материала статорной части уплотнения;
Траб.р - температура роторного элемента уплотнения при работе;
Тсбр - температура роторного элемента уплотнения при сборке;
Трабу - температура статорного элемента уплотнения при работе;
Тсбу - температура статорного элемента уплотнения при сборке.
Для анализа влияния температурных деформаций на основании данных работы [1] были составлены полиноминальные зависимости для определения температурных коэффициентов линейного расширения. Для выполнения анализа были выбраны следующие материалы: сталь 12Х18Н10Т, сталь АДШ 440 по своим характеристикам близкая к подшипниковым сталям, титановые сплавы ВТ6 и ВТ5-1, антифрикционная бронза БрБ2, алюминиевый сплав АК6. Графики изменения температурных коэффициентов линейного расширения для выбранных материалов приведены на рис. 1, аппроксимирующие зависимости в табл. 1.
Температура, К
♦ ВТ6 □ ВТ5-1 А БрБ2 • АК6 Д А!в! 440
Рис. 1. Температурные коэффициенты линейного расширения
Таблица 1. Аппроксимирующие зависимости температурного коэффициента линейного расширения от температуры
Материал Аппроксимирующая зависимость
ВТ6 5,61 -10-10 • Т4 - 3,941-10-7 • Т3 + +4,287 • 10-5 • Т2 +1,965 • 10-2 • Т + 5,441
ВТ5-1кт 2,46 • 10-10 • Т4 -1,932 • 10-7 • Т3 --3,894 • 10-6 • Т2 + 2,084 • 10-2 • Т + 5,995
АК6 3,0110-7 • Т3 -1,978 •10-4 • Т2 + + 5,428•Ю-2 • Т +10,715
БрБ2 2,27 •Ю-7 • Т3 -1,73•10-4 • Т2 + + 5,237•Ю-2 • Т +10,715
ЛШ 440 8,5110-10 • Т4 -5,794•Ю-7 • Т3 + +7,832 • 10-5 • Т2 +1,994 • 10-2 • Т + 6,405
При сборке и захолаживании уплотнения необходимо исключение возникновения натяга между роторным и статорным элементами уплотнения, так как это может привести к значительному увеличению момента страгивания ротора и повреждению уплотнительных поверхностей. При захолажива-нии в зависимости от материала конструкции, коэффициентов теплопроводности, конфигурации и массы деталей может реализоваться несколько различных вариантов изменения уплотнительного зазора: одновременное захолаживание роторного и статорного элементов уплотнения; более быстрое захолаживание роторного или статорного элемента уплотнения.
Кроме того, при захолаживании важно знать материал какого из элементов уплотнения - роторного или статорного имеет большее значение температурного коэффициента линейного расширения. Для примера рассмотрим различные варианты изменения радиального уплотнительного зазора при за-холаживании в зависимости от сочетания материалов роторного и статорного элементов уплотнения. Для анализа рассмотри следующие варианты сочетания пар материалов:
- ротор - титановый сплав ВТ6С, статор - бронза БрБ2;
- ротор - титановый сплав ВТ5-1кт, статор - сталь типа АДШ 440;
- ротор - АК6, статор - сталь типа АШ 440.
Также при проведении анализа рас-
смотрим три возможных варианта изменения температуры роторного и статорного элементов уплотнения при захолаживании, которые реализуются в зависимости от конструктивного исполнения элементов уплотнения, массы роторного и статорного элементов уплотнения, коэффициентов теплопроводности материалов роторного и статорного элементов уплотнения:
- одновременное захолаживание роторного и статорного элементов уплотнения;
- более быстрое захолаживание роторного элемента уплотнения по сравнению со статорным;
- более медленное захолаживание роторного элемента уплотнения по сравнению со статорным.
Проведенные расчеты теплового состояния различных конструкций криогенных агрегатов показывают, что разность температур между роторным и статорным элементами уплотнения может достигать 50 К. Эту величину разности температур элементов уплотнения будем использовать при анализе изменения зазоров в процессе захолажива-ния.
При проведении анализа будем использовать понятие относительного зазора в уплотнении - отношение радиального зазора уплотнения к радиусу уплотнительной поверхности роторного элемента уплотнения -
5 Я = 5уЯ • Для большинства бесконтактных уплотнений значение относительного зазора в уплотнении находится в диапазоне от 0,001-0,005. Кроме того, используем понятие относительного радиуса уплотнитель-
- Яр
ной поверхности роторного - Яр = р
и
— Яр статорного - Яс =
элементов уплот-
нения (Яр - радиус уплотнительной поверхности ротора при работе (захолаживании),
Яр - радиус уплотнительной поверхности
ротора при сборке, Яср - радиус уплотнительной поверхности статора при работе (захолаживании), Ясб - радиус уплотнительной
поверхности статора при сборке)
На рис. 2 приведено изменение относи-
тельного радиуса уплотнительной поверхности ротора водородного насосав процессе захолаживания при его изготовлении из титановых или алюминиевого сплавов.
1,0005 & 1 [| 0,9995 “■ 0,999
>5
| 0,9985 5 0,998
| 0,9975 х 0,997
Н
0 0,9965
0,996
20 70 120 170 220 270
Температура, К
“ Ротор ВТ6С ■ ■ Ротор ВТ5-1 —Ротор АК6
Рис. 2. Изменение относительного диаметра роторного элемента уплотнения при захолаживании
На рис. 3 приведено изменение относительного радиуса уплотнительной поверхности статорного элемента уплотнения водородного насоса в процессе проведения захо-лаживания для различных материалов при относительном зазоре в уплотнении 0,025.
1,003 -£ 1,0025 -
1 1,002 -
а
1,0015 -
л
5 1,001 -
Ц
н 1,0005 -
5
и
° 1 -
О 0,9995 -
0,999 -
20 70 120 170 220 270
Температура, К
— Статор БрБ2 — Статор А1Э1440
Рис. 3. Изменение относительного диаметра статорного элемента уплотнения при захолаживании
Из рис. 2 и 3 видно, что при расчете зазора необходимо тщательно выбирать монтажный зазор, так как при ошибке в его выборе в процессе захолаживания может произойти заклинивание уплотнения, что приведет к повышенному моменту страгивания и вращения ротора турбонасосного агрегата при запуске, повреждению уплотнительных поверхностей, а при определенных условиях
- выходу агрегата из строя.
На рис. 4 приведено изменение относительного зазора для сочетания материалов: ротор - титановый сплав ВТ6С, статор -бронза БрБ2, на рис. 5 - ротор - титановый
сплав ВТ5-1кт, статор - сталь типа AISI 440, на рис. б - ротор - АКб, статор - сталь типа AISI 440 водородного насоса при различном сочетании скоростей захолаживания роторного и статорного элементов уплотнения. Значение монтажного относительного зазора в уплотнении для всех трех сочетаний пар материалов - 0,025.
G,GG3 о G,GG26
ГС
>s G,GG2 3
£ G,GG1 б ф
[5 G, GG1
о z
^5 G,GGG6 G
2G 7G 12G 17G 22G 27G
Температура, К
— одновременное захолаживание ■ ■ ротор захолаживается быстрее
— статор захолаживается быстрее
Рис. 4. Изменение относительного зазора для пары материалов: ротор - титановый сплав ВТбС, статор - бронза БрБ2
G,GG2g
о G,GG27 п
« G,GG26 >s
х G,GG23
Л
S3 G,GG21 т
§ G,GG1g x
6 G,GG17 G,GG16
2G 7G 12G 17G 22G 27G
Температура, К
■ ■ Одновременное захолаживание —Ротор захолаживается быстрее — Статор захолаживается быстрее
Рис. 5. Изменение относительного зазора для пары материалов: ротор - титановый сплав ВТ5-1кт, статор - сталь типа AISI 44Q
Температура, К
..Одновременное захолаживание —Ротор заъолаживается быстрее
■ " Статор захолаживается быстрее
Рис. б. Изменение относительного зазора для пары материалов: ротор - алюминиевый сплав АКб, статор - сталь типа AISI 44Q
Из рисунков видно, что для при сочетании большего температурного коэффициента линейного расширения материала ста-
торного элемента уплотнения по сравнению с роторным (ротор - титановый сплав ВТ6С, статор - бронза БрБ2) зазор при захолажива-нии уменьшается более чем в 2 раза. При этом с точки зрения работоспособности уплотнения более важное значение имеет выбор монтажного зазора, чем сочетание темпа захолаживания роторного и статорного элементов уплотнения.
При использовании материалов с близкими температурными коэффициентами линейного расширения (титановый сплав ВТ5-1кт и сталь типа АДШ 440) изменение зазора между роторным и статорным элементами уплотнения невелико по сравнению с величиной первоначального монтажного зазора. Однако при более быстром по сравнению с ротором захолаживании статорного элемента уплотнения при определенном зазоре в уплотнении может произойти контакт (заклинивание) роторного и статорного элементов уплотнения. То есть при близости значений температурных коэффициентов линейного расширения важно выбирать не только зазор в уплотнении, но темп изменения температуры роторного и статорного элементов уплотнения.
При использовании сочетания материалов с большим температурным коэффициентом линейного расширения роторного элемента уплотнения по сравнению со статорным (ротор - алюминиевый сплав АК6, статор - сталь типа АДШ 440) в процессе за-холаживания происходит увеличение зазора в уплотнении примерно в 1,5 раза. Изменение зазора не приводит к появлению возможности заклинивания уплотнения. Таким образом, в этом случае важнее выбрать первоначальный зазор в уплотнении, чем темп изменения температуры роторного и статорного элементов уплотнения.
Необходимо отметить, что любое изменение зазоров в уплотнениях ведет к изменению экономичности за счет изменения утечек через уплотнение и динамических характеристик системы ротор - уплотнение из-за перераспределения давления в уплотнительном зазоре и связанного с ним изменения сил. Изменение сил в уплотнительном зазоре при определенных условиях может привести к автоколебаниям в системе ротор
- уплотнение, что вызывает повреждение
уплотнительных поверхностей, приводит к росту потребляемой мощности и в дальнейшем - выходу агрегата из строя.
На основном режиме работы при определении зазоров в уплотнениях необходимо учитывать не только силовые, но и термические деформации. Так, для уплотнения водородного насоса с полуподвижным кольцом [2], имеющим внутренний диаметр 100 мм, сравним термические и силовые деформации кольца при перепадах давления 5, 10, 15 МПа. Пересчет силовых деформаций кольца при изменении температуры осуществлялся по следующей зависимости:
8К1Г = (ЕТ/Ес)-6Я5,
где 5Я1р, 8Яс^р - радиальные деформации
кольца от перепада давления Ар при температуре Т и при температуре сборки;
ЕТ, ЕсбК - модули упругости материала кольца при температуре Т и при сборке.
Температурные деформации кольца: 5Я^Т = а• Яу • ЛТ,
где а - температурный коэффициент линейного расширения материала кольца;
АТ - изменение температуры уплотнения при работе по сравнению с температурой при сборке.
Ниже приведен график зависимости Кт = 5Ят/ бЯТр - отношения температурных и силовых деформаций от температуры уплотнения (рис. 7).
0 50 100 150 200 250 300
Температура
Рис. 7. Зависимость отношения температурных и силовых деформаций плавающих колец от их температуры
---- - кольцо из бронзы;---- кольцо из стали
Из рисунка видно, что чем меньше перепад давления на уплотнении, тем быстрее начинается превышение температурных деформаций над силовыми. Например, для рас-
сматриваемого уплотнения, в случае его изготовления из стали при перепаде давления 10 МПа при температуре жидкого водорода (20 К) температурные деформации превышают силовые примерно в 5,5 раза, а при изготовлении кольца из бронзы - примерно в 4,5 раза. Большее превышение температурных деформаций над силовыми для стали по сравнению с бронзой связано с тем, что соотношение между коэффициентами линейного расширения стали и бронзы составляет
0,83-0,91, а соотношение между модулями упругости стали и бронзы - 1,5-1,6, что свидетельствует о большей величине силовых деформаций кольца из бронзы по сравнению со стальным при сопоставимых значениях температурных деформаций колец из этих материалов.
Таким образом, при создании уплотнений криогенных насосов нельзя ограничиваться рассмотрением только захолаживания или только основного режима работы. Так, чтобы минимизировать влияние температурных деформаций на зазоры в уплотнениях необходимо либо подбирать материалы роторного и статорного элементов уплотнения с близкими значениями коэффициентов линейного расширения, либо использовать одинаковые материалы. Кроме того, при
проектировании агрегата необходимо выполнять расчет экономичности и динамических характеристик роторов с учетом зазоров в уплотнениях, полученных с учетом влияния всех факторов, в том числе температурных деформаций.
Библиографический список
1. Новицкий, Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник / Л.А. Новицкий, И.Г. Кожевников. - М.: Машиностроение, 1975. - 21б с.
2. Белоусов, А.И. Особенности конструкции и работы уплотнений проточной части водородных насосов / А.И. Белоусов, А.В. Иванов // Изв. Вузов. Авиационная техника.
- 2007, № 1. - С. 31-33
References
1. Novitskiy L.A., Kozhevnikov I.G. Low temperature thermalphysic properties of materials. Handbook. - M.: Mashinostroenie, 1975 -21б pp.
2. Belousov A.I., Ivanov A.V. Structural features and behavior of seals in the hydrogen pump flow passages // Russian aeronautics, 2007, Vol. 50, № 1, Allerton press, - pp. 37-40.
THERMAL DEFORMATION INFLUENCE TO CRYOGENIC PUMPS SEALS
OPERABILITY
© 2009 A. V. Ivanov Voronezh State Technical University
The bush seals and seals with semi-movable rings are widely used in rocket engines turbopumps. One of abnormal function of this seals causes is - contact of rotor and stator elements. This occurs due to incorrect selection of seal clearance that connected with thermal deformations.
Seal, rotor, stator, thermal deformation, temperature coefficient of linear expansion, sealing clearance, chill-
down
Информация об авторе
Иванов Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры ракетных двигателей Воронежского государственного технического университета. Воронеж, 394026, Московский проспект, 14. Тел. (4732) 34-61-08. e-mail: [email protected]. Область научных интересов: турбонасосные агрегаты, динамика роторов, уплотнения проточной части.
Ivanov Anderei Vladimirovich, candidate of Technical Science, associate professor of Voronezh State Technical University Rocket Engines Department. Voronezh, 394026, Moskovskiy Prospekt 14. Tel/ (4732) 34-61-08. E-mail: [email protected]. Area of research: turbopumps, rotor dynamics, flow path seals.
