ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТОРЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ В АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Жариков Константин Игоревич

студент 2 курса магистратуры, кафедра АВиРС ОмГТУ, г. Омск

Е-mail: freeorchids@mail.ru

Яковлев Алексей Борисович

научный руководитель, канд. техн. наук, доцент ОмГТУ, г. Омск

Введение

Повышение эксплуатационной стойкости и надежности насосов в промышленных отраслях является актуальной задачей. Трущиеся части насосов работают в тяжелых условиях и подвергаются гидроабразивному, термическому, кавитационно-эрозионному износу, а также коррозии.

Интенсивный износ торцевых уплотнений насосов и компрессоров приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик последних, сокращению межремонтных сроков и преждевременному выходу их из строя.

Неблагоприятный состав уплотнений, частичное разрушение соединения уплотнительного кольца и кольце держателя, недостаточно низкая адгезия применяемых материалов трущихся деталей, а также неподходящие условия эксплуатации торцевых уплотнений — все эти факторы причиняют непоправимый вред насосам и компрессорам. Порой, приводя их в неремонтопригодное состояние.

Цель и постановка задачи

Целью настоящей работы была анализ современных материалов, применяемых в торцевых уплотнениях в насосной и компрессорной технике.

Типы материалов применяемых в торцевых уплотнениях

Уплотнения служат для уменьшения или предотвращения проникновения газа или жидкости из одной полости в другую или в атмосферу через граничащую поверхность подвижной или неподвижной деталей. В самолетах и ракетах с помощью торцевых уплотнений герметизируют валы газовых турбин, турбокомпрессоров, гидроагрегатов и нагнетательных насосов горючего и сжиженных газов. Поэтому к таким торцевым уплотнениям, являющимся наиболее ответственными узлами, предъявляются особые требования по эксплуатации. Основные требования к уплотнениям: герметичность при низких и высоких температурах (например, от 180 до 750°С), в условиях вакуума и высоких давлений и в агрессивных средах; малый износ контактных поверхностей при уплотнении подвижных соединений; срок службы, включающий срок хранения и ресурс работы в составе изделия; простота изготовления и сборки [4, с. 5].

Для удовлетворения нужд потребителей производители разрабатывают и выпускают большое число типов уплотнений, значительно различающихся, как по внешнему исполнению, так и по составу и выполнению входящих в них деталей.

Со второй половины XX века для изготовления торцевых, радиальных и радиально-торцевых уплотнений масляных полостей подшипниковых опор компрессора и турбины ГТД применяются графитовые материалы. Их применение обусловлено невозможностью схватывания графита со сталью и низким значением модуля упругости, что исключает возможность задира поверхности стальных контртел. При окружных скоростях 70—150 м/сек, имеющих место в ГТД, графитовые уплотнения работают в гидродинамическом режиме, то есть поверхности трения разделены масляным клином. Условия работы уплотнений в гидродинамическом режиме накладывают определенные требования к углеграфитовым материалам, заключающиеся в следующем: высокая прочность; малый размер зерна; низкий процент канальных пор; хорошая мехобрабатываемость с использованием универсальных станков и стандартного инструмента [1, с. 111].

Материалы уплотнений, используемых в авиационной технике, представлены в таблице 1.

Одним из недостатков антифрикционных материалов на основе графита является низкая ударная вязкость, однако это проявляется только на этапе обработки детали и монтажа уплотнения. При эксплуатации указанных марок материала необходим интенсивный отвод тепла, иначе из-за высоких значений температуры могут деформироваться кольце держатели [2, с. 313].

Все углеродные материалы имеют более низкий температурный коэффициент линейного расширения, чем металлы, и это необходимо учитывать при выборе посадок в соединениях деталей из углеграфита и металла.

Учитывая современные возможности технологий, на рынке производства торцевых уплотнений применяют разнообразные материалы, существенно превосходящие по свойствам своих предшественников. В таблице 2 представлены материалы уплотнений, подходящие по современным требованиям эксплуатации авиационной технике [5, с. 46].

Представленные материалы уплотнений обладают высокой износостойкостью и химической стойкостью, эффектом самосмазывания, высокими механическими и химическими свойствами. Металлокерамические и керамические уплотнения существенно превосходят показатели графитопласта и прочих материалов, имеют широкий спектр применения в разных областях промышленности [3, с. 101].

Широкий диапазон физико-механических свойств современных уплотнительных материалов, обусловлен многообразием композиций компонентов и способов производства.

Заключение

История развития торцевых уплотнений для нужд самолетов и ракет прошла довольно долгий путь проб и ошибок. Развитию материалов и конструкции уплотнений задают тон требования промышленности к надежности и долговечности, а также экологичности, удобству монтажа и применения.

Применяемые в промышленности торцевые уплотнения на основе графита имеют отрицательный фактор — остаточная пористость, из-за нее возникают утечки жидкости через уплотнительное кольцо, поэтому они нуждаются в пропитке синтетическими смолами, металлами и растворами солей. Это влечет за собой ограничение области применения, в частности по температуре. Так же из-за низкой ударной вязкости (хрупкости), углеродные материалы деформируются упруго и разрушаются при незначительной деформации.

Пришедшая на смену торцевым уплотнениям из графита металлокерамика, имеет аналогичный недостаток. Из-за сравнительно невысокой теплопроводности и хрупкости, металлокерамика при резком охлаждении и быстром нагреве склонна к терморастрескиванию, поэтому она нуждается в обильном и постоянном охлаждении. Высокая теплопроводность карбида вольфрама обуславливает его применение в условиях недостаточного смазывания и воздействия термических нагрузок [5, с. 48].

Выбор материалов поверхностей уплотнения имеет решающее значение для функционирования и срока службы торцевого уплотнения. Поэтому материалы для поверхностей уплотнения должны обладать низким коэффициентом трения, высокой твердостью, хорошей устойчивостью к коррозии и высокой теплопроводностью.

Представленные данные материалов торцевых уплотнений имеют значимую практическую ценность, как для разработчиков, производителей, так и для потребителей торцевых уплотнений.

Список литературы:

1. Голубев А.И. Торцовые уплотнения вращающихся валов. — М.: Машиностроение, 1974. — 210 с.
2. Кондаков Л.А., Голубев А.И. Уплотнения и уплотнительная техника. — М.: Машиностроение, 1986. — 464 с.
3. Майер Э. Торцевые уплотнения. — М.: Машиностроение, 1978. — 288 с.
4. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. — Л.: Машиностроение, 1973. — 232 с.
5. Торцевые уплотнения вала насосов Grundfos. GRUNDFOS Management A/S, 2009. — 108 с.