Совершенствование ступеней газовых турбин за счет применения сотовых уплотнений на основе экспериментальных исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат наук Шилин, Максим Андреевич

• Шилин, Максим Андреевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Шилин, Максим Андреевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Совершенствование уплотнений в проточной части

турбомашин

1.1. Способы снижения потерь энергии от протечек рабочего тела

через уплотнения в проточной части

1.2. Процессы теплообмена в различных типах уплотнений

проточной части ГТД

1.3. Задачи исследований

Глава 2. Экспериментальное оборудование, методика проведения эксперимента

и обработки опытных данных, оценка погрешности измерений

2.1. Описание экспериментальной установки

2.1.1. Экспериментальный стенд для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена

2.1.2. Экспериментальный стенд для исследования влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление

и эффективность охлаждения

2.2. Система измерений

2.3. Методики проведения эксперимента

2.3.1. Методика проведения экспериментальных исследований гидравлического сопротивления и теплообмена

2.3.2. Методика проведения экспериментальных исследований влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения поверхностей канала уплотнения

2.4. Экспериментальные модели для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в канале с сотовой структурой

2.5. Методики обработки экспериментальных данных

2.5.1. Методика обработки экспериментальных данных

при исследовании гидравлического сопротивления и теплообмена

2.5.2. Методика обработки экспериментальных данных при исследовании влияния подачи охлаждающего воздуха

на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения

2.6. Оценка погрешности при проведении экспериментальных исследований

2.7. Апробация применяемой методики и экспериментального оборудования

Глава 3. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с сотовой структурой

3.1. Зависимость гидравлического сопротивления в канале

с сотовой структурой от режима течения

3.2. Влияние геометрических параметров сотовой структуры и канала

на уровень интенсификации гидравлического сопротивления

3.2.1. Влияние относительной глубины сотовой структуры

на гидродинамическое сопротивление в канале

3.2.2. Влияние относительной высоты канала

3.3. Закон гидравлического сопротивления в канале

с сотовой структурой на одной из поверхностей

3.4. Влияние режима течения на теплообмен в канале с сотовой структурой

3.5. Влияние геометрических параметров сотовой структуры

на уровень интенсификации теплообмена в канале уплотнения

3.5.1 Влияние относительной глубины сотовой структуры

3.5.2 Влияние относительной высоты канала с сотовой структурой

3.6. Взаимное влияние противоположных поверхностей канала

с сотовой структурой

3.7. Закон теплообмена в канале с сотовой структурой на одной

из поверхностей

3.8. Эффекты интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления в канале с сотовой структурой

3.9. Энергетическая эффективность интенсификации теплообмена

при помощи сотовой структуры применительно к уплотнениям газовых турбин

3.10. Сопоставление эффективности интенсификации теплоотдачи в канале с сотовой структурой с эффективностью других способов интенсификации теплоотдачи

3.11. Экспериментальное исследование влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения поверхностей

Глава 4. Практическая реализация результатов экспериментального

исследования

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование ступеней газовых турбин за счет применения сотовых уплотнений на основе экспериментальных исследований»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Утечки рабочего тела через радиальные зазоры в проточной части (ПЧ) оказывают первостепенное влияние на КПД газовых турбин (ГТ).

Одним из перспективных направлений развития турбостроения является повышение экономичности и надежности работы газотурбинной установки за счет сокращения потерь энергии, связанных с утечками рабочего тела через различные зазоры между неподвижными и вращающимися деталями агрегата, а также обеспечения необходимого температурного режима элементов ПЧ.

В процессе эксплуатации ГТ вследствие нерасчетных силовых воздействий на ротор и статор, термических расширений элементов ПЧ, а также износа, радиальные зазоры могут изменяться в значительных пределах. В авиа-двигателестроении и последних конструкциях стационарных турбин в уплотнениях широко применяют сотовую поверхность.

Использование сотовых уплотнений (СУ) в турбоустановках позволяет достичь определенного положительного эффекта за счет снижения утечек рабочего тела и повышения надежности работы уплотнения в случае касания элементов ротора и статора. Наилучший эффект может быть достигнут лишь при соблюдении оптимальных конструктивных параметров сотовой структуры (СС) и уплотнения в целом.

Сотовая поверхность также может быть использована для подачи в СУ охлаждающего воздуха (ОВ) с целью охлаждения его элементов и периферийной части рабочих лопаток. При этом существенное влияние на гидравлические характеристики уплотнения и эффективность охлаждения его поверхностей оказывают режим течения и конструктивные параметры СС. Поэтому исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в СУ, а также эффективности охлаждения поверхностей канала уплотнения в случае подачи ОВ является актуальной задачей и представляет практический интерес.

Степень разработанности темы

Проблемам совершенствования уплотнений турбомашин, а также вопросам охлаждения элементов проточной части, посвящены труды авторов A.B. Щегляева, В.Г. Орлика, E.H. Богомолова, В.Д. Бенедиктова, В.Т. Буг-лаева, А.Я. Речкоблита. Существенный вклад внесли зарубежные ученые H.L. Stocker, T.W. На, V. Schramm и др.

Работы указанных авторов содержат фундаментальные основы физической сущности течения газа в уплотнениях, варианты организации охлаждения, а также экспериментальные данные по исследованию эффективности ступеней с СУ, что в значительной мере способствовало пониманию характера протекания теплогидравлических процессов в ступенях турбин.

Однако в этих трудах в недостаточной мере рассмотрены вопросы взаимодействия течений, их влияния на гидравлическое сопротивление и те-плообменные процессы в уплотнениях.

В то же время, в литературе имеется ограниченное количество работ, посвященных сотовым уплотнениям, имеющим определенный потенциал совершенствования ступеней турбомашин.

Объектами исследования являются:

- прямоточное СУ;

- прямоточное СУ с системой подачи OB через сотовую поверхность.

Цель работы:

- Исследование влияния режимных и геометрических параметров на утечки и теплообмен в сотовом уплотнении радиального зазора турбинной ступени.

- Обеспечение охлаждения периферийной части рабочих лопаток и уплотнения.

Задачи исследования:

1. Создание экспериментального стенда с комплексом измерительных средств. Разработка методики исследований и обработки опытных данных.

2. Получение экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению и теплообмену в СУ с различными геометрическими параметрами.

3. Оценка энергетической эффективности применения СС на поверхности СУ.

4. Анализ влияния вдува ОВ и геометрических параметров СУ на гидравлическое сопротивление.

5. Оценка эффективности охлаждения поверхностей СУ охлаждающим воздухом, вдуваемым через СС.

6. Разработка практических рекомендаций по модернизации конструкций СУ ГТ.

Методы исследования

Решение поставленных задач основывалось на расчетно-теоретическом анализе и экспериментальных исследованиях теплогидравлических параметров течения в СУ, использовании математического моделирования и теории подобия.

Достоверность полученных результатов подтверждается отработкой методики экспериментальных исследований, оценкой погрешностей результатов, проведением предварительных опытов и удовлетворительным согласованием полученных данных с результатами других авторов.

Научная новизна

1. Экспериментально изучено влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в СУ, получены критериальные зависимости.

2. Определена энергетическая эффективность применения СС на одной из поверхностей СУ.

3. Обнаружен эффект интенсификации теплоотдачи на гладкой стенке канала СУ, расположенной напротив поверхности с СС, величина которого зависит от геометрических характеристик СУ.

4. Изучено влияние коэффициента вдува т ОВ на гидравлическое сопротивление в СУ и глубину охлаждения его поверхностей.

5. Изучено влияние геометрических параметров СУ на гидравлическое сопротивление и глубину охлаждения его поверхностей в случае организации вдува ОВ через сотовую поверхность.

Теоретическая и практическая значимость

1. Разработана, создана и оснащена измерительной системой материально-техническая база для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в СУ, как с подачей ОВ, так и без него.

2. Получены критериальные зависимости, отражающие влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в СУ.

3. Показана целесообразность применения СУ для уменьшения утечки рабочего тела через периферийное уплотнение рабочего колеса и повышения КПД турбинной ступени.

4. Даны рекомендации по модернизации СУ в ПЧ турбоагрегата ГТК-10-4.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих газотурбинных двигателей.

Личный вклад автора состоит в разработке и выполнении программы исследований, создании экспериментального стенда и опытных моделей, проведении опытов, обработке, обобщении и анализе полученных данных.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований тепловых и гидравлических характеристик СУ и полученные в результате обработки опытных данных критериальные соотношения для описания закономерностей процессов течения и теплообмена;

- результаты экспериментальных исследований энергетической эффективности применения СС на поверхности канала СУ;

- результаты экспериментальных исследований влияния коэффициента вдува т ОВ, подаваемого через поверхность с СС, на гидравлическое сопротивление СУ и эффективность охлаждения его поверхностей;

— результаты экспериментальных исследований влияния геометрических параметров СУ на эффективность охлаждения его поверхностей в случае организации вдува ОВ через сотовую поверхность.

- разработанные рекомендации по модернизации СУ в ПЧ турбоагрегата ГТК-10-4.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

1. Региональная конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск, БГТУ, 11-13 октября 2010 г.

2. XVIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», Звенигород, 23-27 мая 2011г.

3. III Международная научно-практическая конференция «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск, БГТУ, 10-12 октября 2011 г.

4. Международная молодежная научная конференция «XXXIX Гага-ринские чтения», Москва, 2013 г.

5. Научно-технический семинар кафедры «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» (С.-Петербург, 2013).

Публикации. По результатам диссертационной работы были опубликованы тезисы докладов на различных конференциях, а также пять публикаций в изданиях из перечня ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 127 страницах текста и содержит 67 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 84 наименований.

ГЛАВА 1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЙ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБОМАШИН

1.1. Способы снижения потерь энергии от протечек рабочего тела через уплотнения в проточной части

В настоящее время в практике эксплуатации турбомашин все большее внимание уделяется совершенствованию уплотнений в ПЧ с целью снижения потерь энергии от протечек рабочего тела. Актуальность этого вопроса подтверждается большим количеством экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению физических явлений, происходящих при протечке рабочего тела через различные конструктивные схемы уплотнений. За длительный период времени изучения данного вопроса предложено большое количество методов расчета величин утечек для наиболее часто используемых типов уплотнений и способов их снижения [1,26,33,35,37,42,67 и др.].

Наиболее часто в литературе встречается информация о расходных характеристиках различных типов классических лабиринтных уплотнений с гребнями на роторе и статоре. Например, работа [46] посвящена анализу расходных характеристик одного из наиболее компактных осевых ступенчатых уплотнений. В работе проанализировано влияние геометрических параметров уплотнения на структуру течения газа в нем, проведено сравнение с данными подобных исследований и подтверждена возможность применения ряда эмпирических формул. Однако в настоящее время возможности совершенствования подобных конструкций уплотнений практически исчерпаны, поэтому работа носит уточняющий характер. Для достижения большей эффективности сопротивления утечке требуются принципиально новые подходы к решению этой задачи.

Работа [62] посвящена влиянию на КПД ступени вторичных течений и методам его ограничения в каналах лопаточных венцов осевых турбин. В ней

предложены варианты конструктивных воздействий на вторичные течения. Однако большинство рассмотренных способов являются технологически сложными и требуют серьезных конструктивных изменений.

Эффекты «запирания» радиальных зазоров в безбандажных турбинных ступенях могут комбинироваться с другими способами снижения потерь от утечек рабочего тела. Подробно этих способы описаны в монографии A.M. Топунова [63].

Теоретические исследования работы безбандажной ступени с СУ на периферии были выполнены А .Я. Речкоблитом [54-58]. Как полагает автор, основными факторами, влияющими на величину потерь энергии в ступени с СУ, являются следующие:

1. Сотовая конструкция создает дополнительное гидродинамическое сопротивление перетеканию газа через радиальный зазор, что несколько уменьшает потери энергии в ступени (это соответствует выводам, изложенным в работах [9,11]).

2. При вращении ротора в ячейках уплотнения происходят пульсации давления, вследствие чего возникают дополнительные радиальные перетекания газа через зазор, которые приводят к росту потерь энергии в ступени.

В работе [58] представлены результаты экспериментальных исследований ступени ГТ с гладким и двумя вариантами СУ, имевших высоту ячеек Ня = 3,2 мм, кя= 8 мм и диаметр dn= 2,8 мм. Испытания проводились при двух значениях перепада давления на ступень и нескольких радиальных зазорах, изменявшихся от ¿=0,14 мм до 8=1,13 мм путем подрезки рабочих лопаток при сохранении положительной перекрыши у периферии ступени.

Исследования показали, что применение СУ с данными геометрическими параметрами по сравнению с гладким уплотнением приводит к снижению эффективности ступени при одних и тех же значениях радиального зазора. При этом наиболее существенное снижение КПД ступени было получено в области малых радиальных зазоров (¿<0,5 мм). Увеличение высоты со-

товых ячеек привело к еще более значительным потерям. Однако отмечается, что ступень с СУ менее чувствительна к изменению радиального зазора.

На основе полученных результатов делается вывод о целесообразности применения СУ только при величинах радиального зазора, существенно уменьшенных по сравнению с гладким уплотнением. Высоту ячеек уплотнения рекомендуется выбирать минимально возможной, исходя из соображений надежности и технологичности конструкции.

Согласно заключению [58], потери энергии в ступени могут возрастать при совпадении собственной частоты колебаний газа в ячейках уплотнения с частотой пульсаций давления основного потока рабочего тела. Предложено выражение для определения диапазона высот ячеек СУ, в котором обеспечивается достаточная «отстройка» собственных частот уплотнения от частоты пульсаций давления.

По результатам работы необходимо отметить, что экспериментальные исследования были проведены в относительно небольшом объеме, так как испытывалась только одна ступень ГТ в узком диапазоне изменения радиального зазора. При этом увеличение радиального зазора за счет подрезки рабочих лопаток приводило к изменению перекрыши у периферии ступени, что недостаточно отражено в анализе экспериментальных данных.

В источнике [65] представлен график изменения расхода рабочего тела через сотовое и классическое лабиринтные уплотнения, из которого следует, что абсолютная величина утечки через сотовое кольцо при возрастании радиального зазора уменьшается в сравнении с гладким. Однако никаких сведений об условиях испытаний не приводится.

В работе [54] проведено исследование сотовых бесконтактных уплот-нительных устройств с мелкими ячейками и вращающимися элементами различного типа, в том числе и с элементами, возбуждающими пульсации давления в ячейках. Изучено влияние размеров сотовых ячеек на расходные и энергетические характеристики уплотнений. Авторы делают вывод, что эф-

п

0,8

0,7

фективность СУ повышается при уменьшении поперечного размера ячеек, а также отмечают более существенное влияние изменения величины ячеек в области малых радиальных зазоров. Следует отметить, что исследования проводились в сравнительно узком диапазоне величин радиальных зазоров (¿=0,2...0,6 мм), практически не применяющихся в конструкциях турбин, за исключением авиационных двигателей. Это не позволило сделать вывод об эффективности применения СУ с различными геометрическими характеристиками в стационарных ГТ с радиальными зазорами ¿>1 мм. Отметим также, что величина зазора в процессе эксплуатации двигателя может увеличиваться и принимать значения ¿>3 мм.

В работе [34] отражены некоторые результаты экспериментальных исследований влияния бандажирования рабочих лопаток на эффективность работы турбинной ступени, выполненных в ЛПИ им. М.И. Калинина под руководством И.И. Кириллова. Установлено, что выигрыш в КПД от установки бандажа зависит не только от величины радиального зазора и геометрических параметров уплотнения, но и от режимов работы и мо-

Я» = 0,409 па = 0,408 —^ '

\ \

\ \ / у^ 1 x 'у' \

\ ' у > / \

........... - ' X - V - -

/ / « / / \ \

/ / ' / п» = 0,588 п, = 0,583

-безбандажная ступень

----обандаженная ступень

0,2

0,3

0,4

и/Со

Рисунок 1.1. Зависимость КПД ступени от пара- жет достигать 3...3,5% (рисунок метра и/Со для различных конструкций радиальных зазоров при различных значениях отношения П0 =Р2/Ро

1.1), что доказывает наличие существенного положительного

эффекта от бандажирования рабочих лопаток.

Применение СУ в бандажных турбинных ступенях описано в техническом решении [80] (рисунок 1.2). Напротив каждого уплотнительного гребня на бандаже установлено сотовое кольцо, которое обеспечивает снижение утечек рабочего тела через радиальные зазоры.

Уплотнение рабочего колеса С0Т0В0е уПЛОТНеНИе ВШШ ОПИ-

сано в [82] (рисунок 1.3). Ячейки расположены перпендикулярно потоку утечки через уплотнение. Для повышения гидродинамического сопротивления на валу выполнен кольцевой паз, оптимальные глубина и ширина которого зависят от величины радиального зазора. Дальнейшее усовершенствование этой конструкции предложено в [76] (рисунок 1.4). Ячейки наклонены в сторону области более высокого давления под углом около 45°. На валу выполнена рельефная насечка, создающая дополнительное гидродинамическое сопротивление потоку утечки.

кольцевой паз (турбулизатор)

цг ---—V--rjr---.--._-____^

Рисунок 1.3. Сотовое уплотнение с кольцевым пазом в качестве турбу-лизатора на поверхности ротора

В современных газотурбинных двигателях широко применяются лабиринтные уплотнения, состоящие из элементов с СС на статоре и тонких лабиринтных гребешков на роторе. Благодаря тому что сотовые кольца имеют тонкие стенки ячеек (0,05...0,1 мм), поверхность контакта между ними и гребешками ротора значительно уменьшается в сравнении с гладким кольцом статора. Это позволяет допускать беззазорную сборку узла уплотнения, и по-

Уплотнение направляющего аппарат а

Рисунок 1.2. Уплотнения радиальных зазоров на периферии и у корня ступеней газовой турбины

наклонные ячейки сот

ШШШУ//////Ш////М

Рисунок 1.4. Сотовое уплотнение с наклонными ячейками

еле приработки величина зазора не превышает 0,2...0,5 мм. Недостатком такого уплотнения является то, что уплотнительные гребешки тонкие и высокие. Такие гребешки просты по конструкции и надежны в работе, если температура рабочего тела относительно невысока и изменяется сравнительно медленно. Однако в современных высокотемпературных газотурбинных двигателях на переменных режимах работы изменение температуры газа происходит резко. Поэтому тонкий гребешок постоянной толщины быстро прогревается и принимает температуру рабочего тела, а массивное кольцо ротора, на котором закреплены гребешки, нагревается или охлаждается медленнее. Такая разница температур между основанием и вершиной гребешка приводит к высоким термическим напряжениям и, вследствие этого, к образованию трещин на гребешках, что выводит деталь из строя.

В лабиринтном уплотнении радиального зазора турбомашины, приведенном в [40], гребешки выполнены цилиндрическими с толщиной, равной диаметру окружности, вписанной в ячейку сотового элемента. При этом наружная поверхность каждого гребешка выполняется зубчатой с образованием между зубьями кольцевых канавок (рисунок 1.5). Этим достигается значительная потеря давления перетекающего рабочего тела и, соответственно, снижение утечки. На переменных режимах работы двигателя допускается врезание гребешков в стенки сотовых ячеек.

Для уменьшения жесткости касания СУ иногда снабжаются упругими элементами, способствующими первоначальной приработке без разрушения структуры уплотнения [78] (рисунок 1.6). Использование такой конструкции в высокотемпературных газовых турбинах весьма эффективно, так как позволяет компенсировать значительное изменение радиальных зазоров из-за коробления обечаек статора на переменных режимах работы установок.

статор турбины

ротор турбины

насечка на поверхности гребней

сотовое уплотнение

гребни уплотнения

Рисунок 1.5. Сотовое уплотнение с уплотнительными гребнями на поверхности ротора

сотовое уплотнение

упругий элемент (демпфер)

т ч

/

бандажное кольцо направляющего аппарата

Рисунок 1.6. Сотовое уплотнение с элементами демпфера пластины с сотовой структурой

Накопленный опыт использования СУ - как одних из наиболее перспективных — в паровых и газовых турбинах, компрессорах, результаты отечественных и зарубежных лабораторных исследований обнаруживают хорошие уплотнительные свойства, повышенные прочностные характеристики

СС в сочетании с минимальными затратами материала и технологичностью изготовления. Сотовая структура позволяет осуществить практически беззазорную сборку турбоагрегата, не опасаясь последствий возможных задеваний элементов ротора за СС. Благодаря высокой прочности СУ могут применяться при высоких перепадах давления без увеличения геометрических размеров уплотнения. По данным работы [54], площадь металлического контакта сот по сравнению с гладким корпусом (при ¿4 = 3 мм) оказалась меньше в 8,5 раза. Согласно результатам работы [65], сотовая обойма диаметром 70 мм и толщиной стенок 0,15 мм обнаружила первые признаки разрушения лишь при перепаде давления в 45 МПа. По данным работы [14], СС изнашивается в 2,5 раза менее интенсивно, чем гребни лабиринтного уплотнения, при тех же условиях касания с поверхностью ротора. При касании поверхности ротора благодаря интенсивному отводу тепла СС не происходит локального разогрева ротора, так как площадь соприкосновения незначительна. Это позволяет без ущерба для надежной работы турбомашины уменьшить зазоры между ротором и статором.

Конструкция СУ облегчает выполнение в статоре турбины камер для подачи воздуха на охлаждение и «запирание» зазоров в периферийной области ступеней ГТ. Конструктивные отличия СУ от традиционных лабиринтных обусловливают изменение процесса течения рабочей среды через уплотнение и появление дополнительных эффектов. Одним из них, например, является экспериментально установленное отсутствие автоколебаний вала с СУ [10,37].

По данным, имеющимся в литературе, преимущества СУ обусловили их широкое применение в ГТ и компрессорах. В монографии Г.С. Скубачев-ского [60] приведена схема ПЧ авиационного двигателя 1-79, в котором СУ используются для снижения утечек через радиальные зазоры безбандажных рабочих колес и утечек по валу между ступенями турбины.

Экспериментальные исследования вопросов применения СУ для снижения утечек рабочего тела через зазоры в ПЧ в разное время проводились на

кафедре «Турбостроение» БГТУ. Результаты исследований нашли отражение в ряде публикаций [5, 12-17].

В работе [51] представлены результаты испытаний на статическом стенде лабиринтных уплотнений газотурбинного двигателя ПС-90А с гладкой и ячеистыми стенками статора. Уплотнения испытывались при перепаде давлений я=1,2...3 и радиальных зазорах <5=0... 1 мм. В конструкции с сотовой стенкой осуществлялось врезание уплотнительных гребней в СС на глубину до 1 мм. Опыты показали, что при уменьшении радиального зазора, начиная с 0,3 мм, и врезании гребней до 1 мм расход газа через СУ остается практически постоянным. Авторы объясняют этот факт перетечкой воздуха через осевые зазоры между стенками сотовых ячеек и гребнями. На основе этих допущений была рассчитана величина эквивалентного радиального зазора, определяющего проходную площадь, которая для уплотнения с диаметром ячейки ¿/я=3,5 мм оказалась постоянной в диапазоне изменения радиального зазора от 1,4 до 1,5 мм. Эти предположения подтвердились и при испытаниях уплотнения с уменьшенным диаметром ячейки с1я =2,75 мм. Из

результатов опытов видно, что изменение осевого положения гребней относительно стенок сотовых ячеек приводит к расслоению расходных характеристик уплотнения. Наибольшая эффективность наблюдается при установке гребней над перемычками сот.

Авторы [51] делают вывод, что использование сотовой поверхности статора с врезанием уплотнительных гребней до 0,6 мм позволяет уменьшить утечку газа для сот с с1я =3,5 мм в 1,5 раза, а с йя=2,75 мм - в 2 раза по сравнению с гладкой стенкой. Однако уменьшение диаметра сотовых ячеек и врезание уплотнительных гребней может привести к повышенному износу последних. Поэтому были испытаны другие конструкции СУ, позволяющие снизить утечку газа: с утолщенной до размера половины шага сотовой ячейки кромкой гребня, с переменным шагом гребней, равным 1 = , где х - целое число из ряда чисел 1...10, с наклоненными на-

встречу потоку ячейками, соты с легко вырабатываемым заполнителем. Однако никаких данных о характеристиках этих конструкций в работе не приводится.

Целью работы [77] являлось установление связи между параметрами потока и пространственной структурой течения в сотовом лабиринтном уплотнении.

На рисунке 1.7 показан продольный разрез исследуемой модели уплотнения, увеличенной в четыре раза для удобства проведения измерений. Исследования проводились при трех величинах зазора. Отношение давлений на входе и выходе уплотнения составляло я= 1,03... 1,60.

Рисунок 1.7. Геометрические параметры сотового уплотнения с гребнями на роторе

Было установлено, что в пространстве сотовых ячеек располагаются вихревые зоны, интенсивность и форма которых изменяется в зависимости от геометрических параметров сотового массива, позиции СС относительно уп-лотнительных гребней и геометрии уступа на статоре (рисунок 1.8).

В результате анализа полученных данных авторами было отмечено, что более высокие значения степени интенсификации гидравлического сопротивления в случае прямоточного СУ по сравнению со ступенчатой конструкцией могут быть вызваны различной структурой потока в исследованных моделях. При использовании прямоточного лабиринтного уплотнения основной поток располагается в непосредственном контакте с СС на статоре на

ол

. О 3

•045

О

■0.5

& О

■0.5

всей длине уплотнения. При приме-.12 нении ступенчатого СУ непосредственный контакт и, как следствие, взаимодействие основного потока с СС значительно снижены из-за сильного отклонения основного потока в

области уступов на статоре. Поэтому в случае прямоточного лабиринтного уплотнения специфические свойства СС оказывают наибольшее влияние на поток в зазоре, сокращая утечку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шилин, Максим Андреевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Абианц, В.Х. Теория авиационных газовых турбин / В.Х. Абианц. -М.: Машиностроение, 1979. - 245 с.

2. Ануров, Ю.М. Опытное исследование гидравлических сопротивлений в прямых щелевых каналах с упорядоченными системами сферических углублений / Ю.М. Ануров, К.Д. Андреев, В.Г. Полищук [и др.] // Теплоэнергетика. - 2007. - №7. - С. 40-45.

3. Ануров, Ю.М. Опытное исследование теплоотдачи в прямых щелевых каналах с упорядоченными системами углублений со сферической поверхностью / Ю.М. Ануров, К.Д. Андреев, В.А. Рассохин [и др.] // Тяжелое машиностроение. - 2007. - №2. - С. 2-6.

4. Ануров, Ю.М. Эффективные методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопаточных аппаратов высокотемпературных газовых турбин: дис. ... д-ра техн. наук / Ю.М. Ануров. - СПб., 2005.

5. Апостолов, A.A. Заградительное охлаждение периферии проточной части газовых турбин через сотовую поверхность / A.A. Апостолов, В.Т. Буг-лаев, В.Т. Перевезенцев [и др.] // Изв. Академии пром. экологии. - 2004. -№3. - С. 27-31.

6. Арсеньев, Л.В. Интенсификация процесса теплоотдачи в щелевых каналах с генераторами вихрей в системах кондиционирования воздуха / Л.В. Арсеньев, С.К. Взломцев, В.В. Носов // Охрана труда и охрана окружающей среды. - Николаев: НКИ, 1994. - С. 14-20.

7. Арсеньев, Л.В. Исследование структуры потока при течении в щелевом канале с генераторами вихрей / Л.В. Арсеньев, С.К. Взломцев, В.В. Носов // Судостроительная промышленность. Промышленная энергетика, охрана окружающей среды, энергосбережение судов. - 1998. - №5. - С. 25-29.

8. Богомолов, E.H. Рабочие процессы в охлаждаемых турбинах газотурбинных двигателей с перфорированными лопатками / E.H. Богомолов. -М.: Машиностроение, 1987. - 160 с.

9. Бондаренко, Г.А. Разработка и исследования сотовых уплотнений валов центробежных компрессоров / Г.А. Бондаренко, В.Ю. Чернов // Экспресс-информация. Сер. ХМ-5. - 1978. - №7.- С. 1-15.

10. Бондаренко, Г.А. Экспериментальное исследование виброактивности уплотнений валов турбомашин / Г.А. Бондаренко, В.Р. Пшик // Энергомашиностроение. - 1982. - №4- С. 5-8.

11. Бондаренко, Г.А. Экспериментальное исследование сотового уплотнения / Г.А. Бондаренко, JI.A. Хижняк // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1978. - №9.- С. 9-10.

12. Буглаев, В.Т. Влияние конструктивных параметров сотового уплотнения на его аэродинамические характеристики / В.Т. Буглаев, В.Т. Переве-зенцев, Д.В. Даниленко // Справочник. Инженерный журнал. - 2003. - №9. -С. 22-25.

13. Буглаев, В.Т. Исследование пространственной структуры потока в сотовых уплотнениях / В.Т. Буглаев, A.A. Климцов, C.B. Перевезенцев, С.А. Бойко // Исследование элементов теплоэнергетических установок: сб. науч. тр. / под ред. В.Т. Буглаева. - Брянск: Изд-во БГТУ, 1999. - С. 68-78.

14. Буглаев, В.Т. Модернизация диафрагменных уплотнений цилиндра высокого давления турбины К-500-5,9/3000 / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, A.JI. Карташов [и др.] // Энергетические машины и установки. - 2009. -№1.-С. 46-50.

15. Буглаев, В.Т. О физической сущности течения рабочей среды в камерах лабиринтных уплотнений турбоустановок / В.Т. Буглаев, A.A. Климцов, В.Т. Перевезенцев [и др.] // Ядерная энергетика. - 1996. - №2. - С. 52-55.

16. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах: монография / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев [и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. - Брянск: БГТУ, 2006. - 192 с.

17. Буглаев, В.Т. Эффективность охлаждения бандажных полок турбинной ступени с сотовыми уплотнениями / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, Д.В. Даниленко // Справочник. Инженерный журнал. - 2004. - №10. - С. 10-13.

18. Бузник, В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках / В.М. Бузник. - Л.: Судостроение, 1969. - 364 с.

19. Венедиктов, В.Д. Газодинамика охлаждаемых турбин / В.Д. Венедиктов. -М.: Машиностроение, 1990. - 240 с.

20. Внедрение сотовых уплотнений в проточной части ТВД ГТ-750-6: отчет о НИР №2466/1125 / Брян. гос. техн. ун-т; руководитель В.Т. Буглаев. -

Брянск, 1999. - 89 с. - Исполнители: A.A. Климцов, В.Т. Перевезенцев, C.B. Перевезенцев.

21. Гортышов, Ю.Ф. Теплоотдача и трение на поверхности со сферическими выемками / Ю.Ф. Гортышов, В.В. Олимпиев, И.А. Федоров // Изв. вузов. Авиационная техника. — 1996. - №3. - С. 16-21.

22. ГОСТ 8.563.1-97. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения.

23. ГОСТ 8.563.2-97. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств.

24. Гукасова, Е.А. Особенности процесса обтекания концевых частей необандаженных лопаток и их влияние на КПД турбинной ступени / Е.А. Гукасова, В.А. Михайлова, В.Г. Тырышкин // Теплоэнергетика. - 1970. -№4. -С. 34-37.

25. Гутер, P.C. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта / P.C. Гутер, Б.В. Овчинский. - М.: Физматгиз, 1962. -356 с.

26. Дейч, М.Е. Основы аэродинамики осевых турбомашин / М.Е. Дейч, Г.С. Самойлович. - М.: Машгиз, 1959. - 428 с.

27. Исаев, С.А. Местные коэффициенты теплоотдачи на поверхности вытянутой лунки / С.А. Исаев // Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену. - 2002. - Т. 6 - С. 114-117.

28. Исаев, С.А. Численное моделирование смерчевого теплообмена на рельефах с лунками / С.А. Исаев, И.А. Пышный, А.Е Усачов // Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену. - 2002. - Т. 6-С.110-113.

29. Калинин, Э.К. Эффективные поверхности теплообмена / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп [и др.]. - М.: Энергоиздат, 1998. - 408 с.

30. Капинос, В.М. Исследование теплообмена в лабиринтовых уплотнениях на статических моделях / В.М. Капинос, М.А. Гура // Изв. вузов. Теплоэнергетика. - 1970. - №11. - С. 38-41.

31. Кикнадзе, Г.И. Механизмы смерчевой интенсификации теплообмена / Г.И. Кикнадзе, И.А. Гачечиладзе, В.Г. Олейников [и др.] // Труды 1-й РНКТ. - М.: Изд-во МЭИ, 1994. - Т. 8. - С. 97-106.

32. Кикнадзе, Г.И. Самоорганизация смерчеобразных вихревых структур в потоках газов и жидкостей и интенсификация тепло- и массообмена / Г.И. Кикнадзе, В.Г. Олейников // Препринт №227. - Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1990.-45 с.

33. Киржнер, P.A. Минимально допустимый радиальный зазор в турбине ГТД / P.A. Киржнер, Б.И. Мамаев // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1989. -№3. - С. 52-56.

34. Кириллов, И.И. Влияние бандажирования рабочих лопаток на эффективность высоконагруженной турбинной ступени / И.И. Кириллов, H.H. Афанасьева // Энергомашиностроение. - 1988. - №8. - С. 2-5.

35. Кириллов, И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки / И.И. Кириллов. - М.: Машгиз, 1956. - Т.1. - 434 с.

36. Кириллов, И.И. Теория турбомашин / И.И. Кириллов. - Л.: Машиностроение, 1972. - 535 с.

37. Костюк, А.Г. Анализ нестационарного течения в лабиринтных уплотнениях турбомашин / А.Г. Костюк // Теплоэнергетика. - 1986. - №12 - С. 31-36.

38. Кузнецов, А.Л. Теплообмен в лабиринтовых уплотнениях газовых турбин / А.Л. Кузнецов, O.A. Журавлев // Энергомашиностроение. - 1972. -№5. - С.10-12.

39. Кутателадзе, С.С. Моделирование теплоэнергетического оборудования / С.С. Кутателадзе, Д.Н. Ляховский, В.А. Пермяков. - М.; Л.: Энергия, 1966.-351 с.

40. Лабиринтное уплотнение радиального зазора турбомашины: пат. № 2039872, МКИ F01D11/08 / В.А. Кузнецов, А.И. Тункин, С.И. Фадеев [и др.]. - 1995.

41. Лагерев, A.B. Оптимальное проектирование акустических пульсаторов для интенсификации теплообмена в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин / A.B. Лагерев // Некоторые результаты совершенствования работы теплоэнергоустановок: сб. науч. тр. / под ред. В.Т. Буг-лаева. - Брянск: Изд-во БГТУ, 1998. - С. 36-40.

42. Локай, В.И. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов / В.И. Локай [и др.]. - М.: Машиностроение, 1979. - 447 с.

43. Олимпиев, B.B. К вопросу об интенсификации теплообмена посредством сферических выемок / В.В. Олимпиев, А.Ю. Гортышов // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1999. — №3. — С. 54-58.

44. Олимпиев, В.В. Поверхность теплообмена с интенсифицированной теплоотдачей и пониженным сопротивлением /В.В. Олимпиев // Изв. вузов. Авиационная техника. - 2000. - №3. - С. 35-38.

45. Орлик, В.Г. Влияние струйного характера течения в уплотнениях на усилия, дестабилизирующие ротор турбины / В.Г. Орлик, A.C. Русавук // Энергомашиностроение. - 1987. - №9. - С. 7-10.

46. Орлик, В.Г. Исследование лабиринтного уплотнения / В.Г. Орлик // Энергомашиностроение. - 1987. -№10. - С. 17-21.

47. Орлик, В.Г. Расцентровка разъемных деталей под влиянием радиального градиента температур / В.Г. Орлик // Энергомашиностроение. - 1989. -№10. - С.33-35.

48. Орлик, В.Г. Центрирующий эффект в лабиринтовых уплотнениях и его влияние на низкочастотную вибрацию турбомашин / В.Г. Орлик, С.Ш. Розенберг, H.A. Сорокин // Энергомашиностроение. - 1975. - №10. - С. 2529.

49. Осипова, В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / В.А. Осипова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1969. - 392 с.

50. Перевезенцев, В.Т. Совершенствование сотовых уплотнений осевых турбин: дис. ... к-та техн. наук / В.Т. Перевезенцев. - Брянск, 2001.

51. Перельман, Р.Г. Исследование газодинамической эффективности лабиринтных уплотнений ГТД с профильной стенкой статора / Р.Г. Перельман, В.Г. Нестеренко, A.M. Любатуров // Изв. вузов. Авиационная техника. -1983.-№1.-С. 105-108.

52. Почуев, В.П. Теплообмен в охлаждаемых лопатках высокотемпературных газовых турбин / В.П. Почуев, Ю.Н. Луценко, A.A. Мухин // Труды 1-й РНКТ. - М.: Изд-во МЭИ, 1994. - Т. 8. - С. 178-183.

53. Пустыльник, Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений / Е.И. Пустыльник. - М.: Наука, 1968. - 288 с.

54. Речкоблит, А.Я. Исследование влияния размеров сотовых ячеек на эффективность уплотнительных устройств с различными вращающимися

элементами / А.Я. Речкоблит, О.В. Авдеенко // Труды ЦИАМ. - 1985. -№1156.-11 с.

55. Речкоблит, А.Я. Исследование структуры течений в безбандажной турбинной рабочей решетке на модели с движущейся ограничивающей поверхностью / А.Я. Речкоблит, Ш.А. Измайлов, JI.A. Пьяных [и др.] // Технический отчет №10032. - ЦИАМ, 1983. - 40 с.

56. Речкоблит, А.Я. Исследование эффективности некоторых типов бесконтактных уплотнительных устройств турбомашин / А.Я. Речкоблит, О.В. Авдеенко // Труды ЦИАМ. - 1982. - №1035. - 8 с.

57. Речкоблит, А.Я. Исследование эффективности применения сотовых уплотнений радиального зазора в газовых турбинах / А.Я. Речкоблит // Технический отчет №6103. - ЦИАМ, 1968. - 56 с.

58. Речкоблит, А.Я. Эффективность применения сотовых уплотнений радиального зазора в газовых турбинах / А.Я. Речкоблит // Труды ЦИАМ. -1970.-№479.-20 с.

59. Розенберг, С.Ш. Исследование аэродинамических поперечных сил в лабиринтных уплотнениях при наличии эксцентриситета ротора / С.Ш. Розенберг, В.Г. Орлик, Ю.А. Марченко // Энергомашиностроение. - 1974. - №8. -С. 15-17.

60. Скубачевский, Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели: конструкция и расчет деталей / Г.С. Скубачевский. - М.: Машиностроение, 1981. -549 с.

61. Сукомел, А. С. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах / А. С. Сукомел, В. И. Величко, Ю. Г. Абросимов. - М.: Энергия, 1979.-216 с.

62. Топунов, A.M. Теория судовых турбин / A.M. Топунов. - Л.: Судостроение, 1985. - 472 с.

63. Топунов, A.M. Управление вторичными течениями в лопаточных венцах осевых турбин / A.M. Топунов [и др.] // Теплоэнергетика. - 1991. -№5.-С. 60-64.

64. Трдатьян, С.А. Пограничный слой на сотовой поверхности при на-текании на нее ламинарного потока / С.А. Трдатьян, А.А. Климов // Материа-

лы Третьей российской научной конференции по теплообмену. - 2002. - Т. 6. -С. 281-284.

65. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник / под общ. ред. А.И. Голубева, JI.A. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 463 с.

66. Чайлдз. Экспериментальные данные по утечке и динамическим коэффициентам кольцевых сотовых уплотнений. Сравнение с лабиринтными и гладкими уплотнениями / Чайлдз, Элрод, Хейл // Современное машиностроение. Серия А. - 1989. - №11. - С. 105-113.

67. Щегляев, А. В. Паровые турбины: теория теплового процесса и конструкции турбин / А. В. Щегляев. - 6-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1993. -384 с.

68. Chochua, G. Computational modeling for honeycomb-stator gas annular seal / G. Chochua, W. Shyy, J. Moore // Int. J. of Heat and Mass Transfer. - 2002. -№45.-P. 1849-1863.

69. Ha, T.W. Annular honeycomb-stator turbulent gas seal analysis using new friction-factor model based on flat plate tests / T.W. Ha, D.W. Childs // ASME J. Tribol. - 1994. -№116. - P. 352-360.

70. Ha, T.W. Friction-factor characteristics for narrow channels with honeycomb surfaces / T.W. Ha, G.L. Morrison, D.W.Childs // J. Tribol. Transactions of the ASME. - 1992. - Vol.114. - P. 714-722.

71. Ha, T.W. Friction-factor data for flat plate tests of smooth and honeycomb surfaces (including extended test data) / T.W. Ha, D.W. Childs // Turbomachinery Laboratory Report. - Texas A&M University, 1991.

72. Ha, T.W. Rotordynamic analysis of annular honeycomb-stator turbulent gas seals using a new friction factor model based on flat plate tests / T.W. Ha // Ph.D. Thesis. - Texas A&M University: College Station, 1992.

73. Han, J.C. Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators / J.C. Han, J.S. Park // ASME Journal of Heat Transfer. - 1988. -Vol.31.-P. 183-195.

74. Jun, Li. Numerical Investigations on Leakage Performance of the Rotating Labyrinth Honeycomb Seal / Jun Li, Shengru Kong, Xin Yan [и др.] // ASME J. Eng. Gas Turbines Power. - 132. - P. 141-151.

0]л

75. Rockwell, D. Review - self-sustaining oscillations of flow past cavities / D. Rockwell, E. Naudascher // ASME J. Fluid Eng. - 1978. - №100. - P. 152-165.

76. Rotary seal: пат. № 4218066, МКИ F16J15/44 / William Ackermann. -1980.

77. Schramm,V. Influence of a honeycomb facing on the flow through a stepped labyrinth seal / V. Schramm, K. Willenborg, S. Kim [и др.] // ASME J. Eng. Gas Turbines Power. - 124. - P. 140-146.

78. Stator vane assembly for an axial flow rotary machine: пат. № 4897021, МКИ F01D 005/02 / Gary F. Chaplin, John L. Pannone, Michael A. Weisse. -1990.

79. Stocker, H. L. Determining and improving labyrinth seal performance in current and advanced high performance gas turbines / H. L. Stocker // AGARD CP273. - 1978.

80. Turbine shroud sealing device: пат. № 4623298, МКИ F01D 011/02 / Claude C. Hallinger, Alain M. J. Lardellier. - 1986.

81. Weighardt, K. Erholung des turbulenten Reibungswiderstandes durch Uberflachenstorungen / K. Weighardt // Förch, für Schif. - 1953. - №1. - P. 65-81. '

82. Wide channel seal: пат. № 4162077, МКИ F16J15/44 / David Е. Crow, Nathan E. Harrison. - 1979.

83. Willenborg, К. Influence of honeycomb facing on the heat transfer in a stepped labyrinth seal / K. Willenborg, V. Schramm, S. Kim // ASME J. Eng. Gas Turbines Power. - 2002. - №1241. - P. 133-139.

84. Wittig, S. Numerical predictions and measurements of discharge coefficients in labyrinth seals / S. Wittig, U. Schelling, K. Jacobsen // ASME Paper No. 87-GT-188. - 1987.