ПЕРСПЕКТИВЫ  ПРИМЕНЕНИЯ  ПАЛЬЧИКОВЫХ  УПЛОТНЕНИЙ В  РОССИЙСКИХ  ГАЗОТУРБИННЫХ  ДВИГАТЕЛЯХ

Хаитов  Артур  Рамильевич

инженер-конструктор  Уфимского  моторостроительного

производственного  объединения  (г.  Уфа)

E-mail:  khaitov_ar@mail.ru

PERSPECTIVES  OF  APPLICATION  OF  FINGER  SEALS  IN  RUSSIAN  GAS  TURBINE  ENGINE

Arthur  Khaitov

designer  Engineer  of  Ufa  Motor  Production  Association

АННОТАЦИЯ

Проведён  анализ  патентной  и  научно-технической  литературы  по  пальчиковым  уплотнениям.  Дана  характеристика  научно-техническому  заделу  по  данному  направлению.  Рассмотрены  перспективы  применения  пальчиковых  уплотнений  в  отечественных  газотурбинных  двигателях.  Сделан  вывод  о  необходимости  перехода  от  лабораторных  исследований  к  промышленному  внедрению.

ABSTRACT

The  analysis  of  patent  and  scientific  publications  on  finger  seals  is  carried  out.  The  characteristic  of  scientific  and  technical  background  on  this  area  is  given.  The  perspectives  of  application  of  finger  seals  in  Russian  gas  turbine  engine  are  considered.  It  was  concluded  that  it  is  necessary  to  move  from  laboratory  research  to  industrial  adoption.

Ключевые  слова:  пальчиковое  уплотнение;  газотурбинный  двигатель.

Keywords:  finger  seal;  gas  turbine  engine.

Считается,  что  применение  пальчиковых  уплотнений  является  на  сегодняшний  день  одним  из  перспективных  способов  повышения  эффективности  газотурбинных  двигателей  (ГТД)  в  части  сокращения  паразитных  утечек  рабочей  среды  между  разделяемыми  воздухо-воздушными  и  воздушно-масляными  полостями.

Впервые  конструкция  пальчиковых  уплотнений  была  предложена  в  конце  1980-х  годов  специалистами  американской  компании  Allied-Signal  Inc.  Впоследствии  эта  компания  запатентовала  конструктивные  решения  по  пальчиковым  уплотнениям  [12—14].

Отмечается,  что  инвестиции  в  разработку  уплотнений  в  4—5  раз  более  эффективны  с  экономической  точки  зрения,  чем  вложения  в  пересмотр  конструкции,  проверку  и  сертификацию  компрессоров  и  турбин  для  эквивалентного  улучшения  таких  тактико-технических  характеристик  ГТД,  как  удельная  тяга,  удельный  расход  топлива,  тяговооружённость,  ресурс  [9,  с.  148].

Пальчиковые  уплотнения  традиционной  конструкции  включают  два  примыкающих  друг  к  другу  кольца  (см.  рис.  1).  Каждое  из  них  содержит  множество  равномерно  расположенных  по  окружности  пальчиков,  между  которыми  имеются  криволинейные  пазы.  Кольцо,  устанавливаемое  со  стороны  полости  низкого  давления,  дополнительно  содержит  «подъёмные»  площадки,  выполненные  за  одно  целое  с  соответствующими  пальчиками.  Кольца  позиционируются  друг  относительно  друга  таким  образом,  чтобы  пальчики  каждого  кольца  перекрывали  пазы  примыкающего  к  нему  другого  кольца,  тем  самым  обеспечивая  герметичность  перекрываемой  кольцевой  щели  между  ротором  и  статором.  Кольца  прижаты  со  стороны  полостей  низкого  и  высокого  давления  кольцевыми  крышками  для  повышения  герметичности  и  жёсткости  конструкции  в  осевом  направлении  [9,  с.  148—149].

За  прошедшие  двадцать  лет  конструкция  пальчиковых  уплотнений  непрерывно  совершенствовалась.  В  настоящее  время  выдано  более  20  патентов  на  конструкцию  и  технологию  изготовления  пальчиковых  уплотнений.

Рисунок  1.  Классическая  конструкция  пальчикового  уплотнения  [9,  с.  149]

С  конца  2000-х  годов  работы  по  столь  перспективному  направлению  начаты  и  в  России  в  интересах  создания  газотурбинных  двигателей  новых  поколений  (ГТД  ПД-14  для  самолётов  семейства  МС-21  и  ПАК  ФА  для  многоцелевого  истребителя  Т-50).  Однако  количество  публикаций  по  рассматриваемой  весьма  актуальной  теме  пока  что  недостаточно  много.

Что  касается  технической  стороны  вопроса,  то  следует  отметить,  что  российскими  инженерами  предложен  целый  ряд  усовершенствованных  конструкций  пальчиковых  уплотнений  (см.:  [1—4,  6]).  В  частности,  предлагаемые  технические  предложения  касаются  уменьшения  радиальных  размеров  пальчиковых  уплотнений,  изменения  геометрии  мажпальчиковых  пазов,  структуры  внутренней  поверхности  подъёмных  площадок.

В  Центральном  институте  авиационного  моторостроения  имени  П.И.  Баранова  и  Московском  государственном  техническом  университете  им.  Н.Э.  Баумана  разработаны  модели  и  методы  расчёта  пальчиковых  уплотнений  с  учётом  деформации  их  элементов  под  действием  газовых  сил,  а  также  многодисциплинарная  методика  расчёта  конструкции  бесконтактного  пальчикового  уплотнения  в  ГТД  [10,  11].

Для  реализации  новых  конструктивных  решений  в  Уфимском  государственном  авиационном  техническом  университете  разработана  специальная  технология  изготовления  рассматриваемых  уплотнений  [5,  7,  8].

Дальнейшие  исследования  по  пальчиковым  уплотнениям  должны  быть  направлены  на  расчёт  и  оптимизацию  формы  межпальчиковых  пазов,  применения  регламентированных  микроструктур  на  подъёмных  площадках,  совершенствованию  технологии  сборки  отдельных  колец,  полномасштабным  испытаниям  в  составе  двигателя-демонстратора.

Таким  образом,  подытоживая,  можно  сказать,  что  в  нашей  стране  уже  создан  определённый  научно-технический  задел  в  данном  направлении.  Теперь  важно,  чтобы  данные  опытно-конструкторские  и  технологические  разработки  вышли  за  рамки  лабораторных  исследований  и  были  успешно  внедрены  в  производство  перспективных  двигателей.

Список  литературы:

1.Дрозденко  В.Н.,  Гейкин  В.А.,  Гимаев  Н.З.  и  др.  Пальчиковое  уплотнение  с  сотовой  структурой  //  Патент  РФ  №  2416752,  2009.

2.Дрозденко  В.Н.,  Гейкин  В.А.,  Гимаев  Н.З.  и  др.  Уплотнение  с  зигзагообразными  пальчиками  //  Патент  РФ  №  2425271,  2009.

3.Дрозденко  В.Н.,  Гейкин  В.А.,  Гимаев  Н.З.  и  др.  Компактное  пальчиковое  уплотнение  //  Патент  РФ  №  2442050,  2010.

4.Дрозденко  В.Н.,  Гейкин  В.А.,  Гимаев  Н.З.  и  др.  Пальчиковое  уплотнение  и  способ  его  изготовления  //  Патент  РФ  №  2442051,  2010.

5.Маннапов  А.Р.  Импульсная  электрохимическая  обработка  пальчиковых  уплотнений  ГТД  //  Труды  МАИ.  —  2012.  —  №  52.

6.Маннапов  А.Р.  Новые  конструкции  пальчиковых  уплотнений  для  перспективных  ГТД  //  V  Всероссийская  научно-техническая  конференция  молодых  специалистов.  Материалы  конференции:  Уфимск.  моторостр.  произв.  объединен.  Уфа:  ОАО  «УМПО»,  2011.  —  С.  123—127.

7.Маннапов  А.Р.  Разработка  технологии  изготовления  перспективных  уплотнений  газовоздушного  тракта  ГТД  методом  импульсной  электрохимической  обработки:  дис.  …  канд.  техн.  наук.  Уфа,  2009.  —  206  с.

8.Маннапов  А.Р.  Сравнительный  анализ  технологий  обработки  пальчиковых  уплотнений  ГТД  высококонцентрированными  потоками  энергии  //  XXXVI  Гагаринские  чтения.  Научные  труды  международной  молодёжной  научной  конференции  в  8  томах.  М.:  МАТИ,  2010.  —  Т.  3.  —  С.  110—112.

9.Современные  высокоэффективные  технологии  (интенсивная  пластическая  деформация,  прецизионная  электрохимическая  обработка,  модификация  поверхностного  слоя):  учебное  пособие  /  Р.М.  Киреев,  К.Н.  Рамазанов,  И.В.  Александров,  А.Р.  Маннапов,  А.Н.  Зайцев,  Н.И.  Маркелова.  Уфа:  УГАТУ,  2011.  —  217  с.

10.Темис  Ю.М.,  Дзева  И.Ю.  Расчёт  конструкции  бесконтактного  пальчикового  уплотнения  //  Вестник  Московского  государственного  технического  университета  им.  Н.Э.  Баумана.  Серия:  Естественные  науки.  —  2011.  —  №  S.  —  С.  142—158.

11.Темис  Ю.М.,  Селиванов  А.В.,  Дзева  И.Ю.  Расчётное  исследование  бесконтактного  пальчикового  уплотнения  //  Вестник  Самарского  государственного  аэрокосмического  университета  им.  академика  С.П.  Королёва  (национального  исследовательского  университета).  —  2011.  —  №  3-1.  —  С.  168—173.

12.Heydrich  H.  Bidirectional  finger  seal  //  Patent  US  5031922,  1991.

13.Johnson  M.C.,  Medlin  E.G.  Laminated  finger  seal  with  logarithmic  curvature  //  Patent  US  5108116,  1992.

14.Mackay  C.G.,  Wright  S.  Laminated  finger  seal  //  Patent  US  5042823,  1991.