Управление утечкой в надбандажном сотовом уплотнении рабочего колеса осевой высокотемпературной турбины с помощью вдува охлаждающего воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Даниленко, Дмитрий Владимирович

• Даниленко, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Даниленко, Дмитрий Владимирович

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Задачи совершенствования уплотнительных устройств проточной части тепловых турбин.

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

1.2. Процессы теплообмена в уплотнениях проточной части газотурбинных двигателей.

1.3. Цели и задачи исследований.

Глава 2. Методика и средства исследований физических явлений в сотовых уплотнениях.

2.1. Экспериментальные стенды и объекты исследований.

2.2. Экспериментальная модель и методика исследований расходных характеристик сотовых уплотнений.

2.3. Опытные модели и методика исследований влияния вдува охлаждающего воздуха в сотовое надбандажное уплотнение на структуру потока утечки, охлаждение бандажа и эффективность работы турбинной ступени.

2.4. Методика обработки и оценка погрешности результатов исследований.

Глава 3. Экспериментальные исследования физических процессов в сотовых уплотнениях.

3.1. Исследования расходных характеристик сотовых уплотнений.

3.2. Особенности охлаждения бандажной полки рабочей лопатки при вдуве охлаждающего воздуха через сотовую структуру надбандажного уплотнения.

3.2.1. Аэродинамическая структура течения теплоносителей в надбандажном сотовом уплотнении.

3.2.2. Исследование эффективности охлаждения бандажной полки.

3.2.3. Влияние вдува охлаждающего воздуха на структуру теплового поля в осевом зазоре.

Глава 4. Влияние вдува охлаждающего воздуха в сотовое надбандажное уплотнение рабочего колеса на эффективность работы осевой турбинной ступени.

4.1. Исследования воздействия вдува охлаждающего воздуха на к.п.д. турбинной ступени.

4.2. Анализ влияния радиального зазора в надбандажном сотовом уплотнении и режима работы ступени на ее к.п.д.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Управление утечкой в надбандажном сотовом уплотнении рабочего колеса осевой высокотемпературной турбины с помощью вдува охлаждающего воздуха»

Уплотнения в проточной части турбомашин используются для снижения потерь от утечек рабочего тела через зазоры между ротором и статором. Эффективность и надежность работы уплотнений определяется конструктивными и геометрическими характеристиками, а также тепловым состоянием отдельных их элементов, например, уплотнительных гребней, бандажных полок. Задевания элементов ротора за статор, выгорание тонкостенных элементов конструкции, коробление корпусных деталей - проблемы, возникающие в процессе эксплуатации газотурбинных установок (ГТУ). Наличие этих проблем может способствовать существенному снижению экономичности и надежности работы двигателя.

Уплотнения с ячеистой (сотовой) стенкой положительно зарекомендова-* ли себя в качестве уплотнений радиальных зазоров проточной части осевых турбомашин. Применение сотовых уплотнений представляется перспективным для уменьшения потерь от утечек рабочего тела, повышения надежности работы агрегата при возможном задевании вращающихся частей ротора за элементы статора. Сотовая структура позволяет организовать охлаждение элементов уплотнения за счет вдува через нее охлаждающего воздуха.

Сотовые уплотнения, являясь разновидностью лабиринтных, имеют ряд специфических свойств, что обуславливает возможность расширения области их применения в конструкциях турбомашин. Работа посвящена экспериментальным исследованиям возможностей комплексного решения задач уменьшения потери от утечки рабочего тела через надбандажное сотовое уплотнение рабочего колеса и снижения температуры бандажа за счет вдува охлаждающего воздуха через уплотнительную сотовую вставку. Исследования проведены для надбандажного сотового уплотнения рабочего колеса осевой турбинной ступени в связи с актуальностью указанных выше задач для этого типа уплотнений. Г

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Даниленко, Дмитрий Владимирович

Заключение

В результате проведенных автором экспериментальных исследований газодинамической эффективности сотовых надбандажных уплотнений осевых высокотемпературных газовых турбин и особенностей организации в них вдува охлаждающего воздуха через ячеистую структуру уплотнительной вставки для уменьшения потерь от утечки рабочего тела и охлаждения бандажа рабочих лопаток, получены следующие данные:

1. Исследована аэродинамическая структура течения в трактах сотовых уплотнений без вдува охлаждающего воздуха и установлены их уточненные количественные связи с основными геометрическими характеристиками сотовых ячеек. Обнаружено, что максимальное сопротивление утечке через сотовое уплотнение соответствует диапазону значений относительной глубины ячеек НЯШЯ = 0,2. 0,3.

2. Получены экспериментальные данные по влиянию параметра вдува т и места расположения вдува охлаждающего воздуха на аэродинамическую структуру потока в канале сотового уплотнения.

3. При значении параметра вдува т около 0,06 обнаружен эффект «запирания» тракта уплотнения для утечки основного потока. При этом расход утечки рабочего тела через сотовое надбандажное уплотнение практически равнялся нулю.

4. На режимах т > 0,06 наблюдались наиболее высокие значения глубины охлаждения 0, достигающие при вдуве перед уплотнительными гребнями значений 0,28.0,32 (8/ = 1 мм, 8^ = 0,3 мм), а при вдуве в камеру между гребнями - значений 0,2.0,22 (8/ = 1 мм, 8^ = 0,3 мм). При изменениях радиальных зазоров над первым уплотнительным гребнем от 1 до 3 мм, а над вторым гребнем от 0,3 до 3 мм приращение глубины охлаждения достигало Д0 = 0,17.0,25.

5. Установлено, что наиболее эффективная схема вдува охлаждающего воздуха перед уплотнительными гребнями существенно повышает к.п.д. ступени при достаточно малых значениях 5/ и В процессе опытных исследований удалось добиться прироста к.п.д. Дг|ог = 1. 1,3%, что соответствовало величине радиального зазора 8/ = = 0,4 мм, допустимого в сотовых уплотнениях, и относительному расходу охлаждающего воздуха т = 1,8%.

Результаты настоящей работы могут быть рекомендованы для использования конструкторскими бюро турбостроительных заводов и ремонтными организациями при проектировании новых и модернизации действующих газотурбинных двигателей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Даниленко, Дмитрий Владимирович, 2005 год

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

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

3. Богомолов E.H. Расчет эффективности газовой завесы за перфорированным участком поверхности, омываемой турбулентным потоком/ E.H. Богомолов // Изв. высш. учеб. завед. Энергетика, 1979. -№1. С. 83-89.

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

5. Браунелл. Исследования бесконтактным методом полей потока в лабиринтных уплотнениях натурных размеров/ Браунелл, Миллуорд, Паркер // Современное машиностроение, серия А, 1989. №11. - С. 121-129.

6. Буглаев, В.Т. Влияние конструктивных параметров сотового уплотнения на его аэродинамические характеристики/ Буглаев В.Т., Перевезенцев В.Т., Даниленко Д.В. // Энергомашиностроение, 2003. №9. - С. 25-29.

7. Буглаев, В.Т. Модернизация направляющих и рабочих лопаток газовых турбин с сотовыми уплотнениями/ В.Т. Буглаев, C.B. Перевезецев, Д.В. Даниленко // Изв. высш. учеб. завед. Энергетика, 2003.-№3.-С.62-67.

8. Ю.Буглаев, В.Т. Применение сотового уплотнения для организации охлаждения элементов проточной части газовых турбин/ В.Т. Буглаев и др. // Изв. высш. учеб. завед. Ядерная энергетика. 1995. - №5. - С. 52-56.

9. Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах/ В.Т. Буглаев, A.A. Климцов, В.Т.Перевезенцев, C.B. Перевезенцев. Брянск: БГТУ, 2002. -148 с.

10. Бут. Утечка через радиальный зазор рабочих лопаток/ Бут, Додж, Хелуорт // Энергетические машины, т.101, 1982. №1. - С. 125-141.

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

12. 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.

13. Горелов, Ю.Г. Комбинированный способ охлаждения бандажных полок рабочих лопаток высокотемпературных турбин/ Ю.Г. Горелов, И.С. Копылов, A.C. Матвеев // Изв. высш. учеб. завед. Авиационная техника, 1999.-№2.-С. 37-40.

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

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

16. ГОСТ 8.563.2-97 Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Межгосударственный стандарт.

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

18. Исследование элементов теплоэнергетических установок: Сборник научных трудов/ под ред. В.Т. Буглаева. Брянск: БГТУ, 2001. - 164 с.

19. Калинин, Э.К. Интенсификация теплообмена в каналах/ Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990.-208 с.

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

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

22. Кириллов, И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки. В 2 т. Т.1/ И.И. Кириллов. М.: Машгиз, 1956. - 434 с.

23. Кириллов, И.И. Теория турбомашин/ И.И. Кириллов. JI.: Машиностроение, 1972. - 535 с.

24. Климцов, A.A. Испытание бандажной ступени с радиальными уплотнениями различной конструкции/ A.A. Климцов, В.Т. Перевезенцев, Е.С. Зимин // Изв. высщ. учеб. завед. Машиностроение. - 1990. - №8. -С. 61-63.

25. Кортиков, H.H. Моделирование многофакторного воздействия параметров газового потока на теплообмен и потери в проточных частях высокотемпературных газовых турбин: автореф. дисс. доктора техн. наук/ Кортиков, H.H. СПбГТУ, 1997. - 33с.

26. Кортиков, H.H. Расчет эффективности охлаждения пластины при выдуве охладителя под углом к основному потоку с учетом застойной зоны / H.H. Кортиков, Ю.А. Смирнов // ИФЖ. 1983. - №5. - С. 715-719.

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

28. Костюк, А.Г. Теоретический анализ аэродинамических сил в лабиринтных уплотнениях турбомашин/ А.Г. Костюк // Теплоэнергетика, 1972. №11. -С. 29-33.

29. Костюк, А.Г. Экспериментальное исследование аэродинамических венцовых сил в турбинной ступени и обоснование метода их расчет / А.Г. Костюк и др.// Теплоэнергетика, 1992. №3. - С. 41-45.

30. Крючков С.А. Влияние закрутки завесных струй на теплообмен и сопротивление при охлаждении торцевых поверхностей межлопаточных каналов / Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену, том 2, 2002. С.182-185.

31. Крючков, С.А. Интенсификация охлаждения концевых поверхностей турбинных решеток закруткой завесных струй: дис. канд. техн. наук/ С.А. Крючков. Рыбинск, 2001. - 161 с.

32. Кудрявцев, В.А. Влияние геометрических параметров на характеристики системы пленочного охлаждения/ Кудрявцев В.А., Майорова А.И., Свириденков A.A.// Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену, том 6,2002. С. 190-193.

33. Кузнецов, A.JI. Теплообмен в лабиринтовых уплотнениях газовых турбин/

34. A.JT. Кузнецов, O.A. Журавлев // Энергомашиностроение, 1972. №5. -С.10-12.

35. Кутателадзе, С.С. Моделирование теплоэнергетического оборудования/ С.С. Кутателадзе, Д.Н. Ляховский, В.А. Пермяков. M.-JI.: Энергия, 1966. -351 с.

36. Лебедев, В.В. Анализ влияния вторичных течений на развитие завесного охлаждения у торцовой стенки турбинной решетки / В.В. Лебедев // Изв. высш. учеб. завед. Авиационная техника, 1994. -№3. С. 100-103.

37. Л окай, В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов/

38. B.И. Локай и др. М.: Машиностроение, 1979. - 447 с.

39. Л окай, В. И. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей летательных аппаратов/ В.И. Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков, A.B. Щукин. М.: Машиностроение, 1985. - 216 е., ил.

40. Лопатицкий, А.О. Оценка влияния протечек у бандажа рабочих лопаток на эффективность турбинной ступени/ А.О. Лопатицкий, Л.А. Озернов // Энергомашиностроение, 1987. -№9. С. 5-7.

41. Мамаев, Б.И. Методы газодинамического проектирования и совершенствование элементов проточной части турбин авиационных высокотемпературных двигателей: автореф. дис. доктора техн. наук/ Б.И. Мамаев. СГАУ, 1995. - 38с.

42. Мамаев, Б.И. Расчет влияния радиального зазора на работу турбины/ Б.И. Мамаев // Изв. высш. учеб. завед. Авиационная техника, 2002. -№2.-С. 41-44.

43. Мунябин, К.Л. Теплоотдача и гидравлическое сопротивление при обтекании поверхностей, формованных сферическими углублениями/ К.Л. Мунябин // Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену, том 6,2002. С. 155-158.

44. Мур. Утечка у концов лопаток в прямой турбинной решетке/ Мур, Тилтон // Современное машиностроение, серия А, 1989. №1. - С. 22-32.

45. Назмеев, Ю.Г. Резонансное возмущение потока в каналах с дискретными выступами / Ю.Г. Назмеев и др. // Изв. высш. учеб. завед. Авиационная техника, 1994. -№1. С. 79-81.

46. Нарежный, Э.Г. Теплоотдача одного ряда струй, вытекающих в кольцевой сносящий поток/ Э.Г. Нарежный // Энергомашиностроение, 1977. №10. - С.16-18.

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

48. Пат. 5161942 США, МКИ3 F01D 025/32,1992.

49. Пат. 6171052 США, МКИ3 F02C 007/18, 2001.

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

51. Петреня, Ю.К. Перспективы создания быстроходных паротурбинных установок энергоблоков АЭС мощностью 1500 МВт и выше/ Ю.К. Петреня, JI.A. Хоменок, И.А. Ковалев, Ю.А. Качуринер // Теплоэнергетика, 2003. -№2. С. 24-30.

52. Пешехонов, Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах/ Н.Ф. Пешехонов. М.: Оборонгиз, 1962.-184 с.

53. Преображенский, В.П. Теплотехнические измерения и приборы/ В.П. Преображенский.-М.: Энергия, 1978.-704 с.

54. Разработка сотового уплотнения турбины низкого давления ГТН-16: Отчет по договору №1252/2281 АК / Брян. гос. техн. ун-т; Руководитель В.Т. Буглаев. Брянск; 2002. - 33 с. - Исполнители: C.B. Перевезенцев, В.Т. Перевезенцев, Д.В. Даниленко.

55. Речкоблит, А.Я. Исследование влияния размеров сотовых ячеек на эффективность уплотнительных устройств с различными вращающимися элементами/ А.Я. Речкоблит, О.В. Авдеенко. Тр. ЦИАМ №1156. - 1985. -11 с.

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

57. 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.

58. Розенберг, С.Ш. Оценка погрешности при определении КПД проточной части турбины / С.Ш. Розенберг, JI.A. Хоменюк, О.И. Мороз и др. // Теплоэнергетика. 1981. -№2. - С. 59-61.

59. РТМ 24.020.33-75. Турбины паровые и газовые стационарные, компрессоры. Лабиринтовые уплотнения. Выбор типа и расчет протечек. -М.: Изд. официальное. 1975. - 34 с.

60. Самойлович, Г.С. Новые формулы для расчета лабиринтового уплотнения/ Г.С. Самойлович/ Известия ВТИ. 1950 - №9. - С. 22-23.

61. Сафонов, JI.IT. О целесообразности применения уплотнений с осевыми зазорами в паровых турбинах/ Л.П. Сафонов, В.Г. Орлик, Л.Г. Крупский // Изв. высш. учеб. завед. Теплоэнергетика, 1979. -№6. С. 36-38.

62. Терехов, В.И. Влияние вихревой структуры в наклонной каверне на теплоперенос/ В.И. Терехов, Н.И. Ярыгина, А.Ю. Дьяченко// Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену, том 6, 2002. -С.205-208.

63. Топунов, A.M. Теория судовых турбин/ A.M. Топунов JL: Судостроение. 1985.-472 с.

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

65. Трдатьян, С.А. Пограничный слой на сотовой поверхности при натекании на нее ламинарного потока / С.А. Трдатьян, A.A. Климов // Материалы Третьей российской научной конференции по теплообмену, том 6,2002. С.281-284.

66. Трембовля, В.И. Теплотехнические испытания котельных агрегатов/ В.И. Трембовля, Е.Д. Фингер, A.A. Авдеева. М.: Энергия, 1977. - 296 с.

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

68. Халатов, A.A. Газовая завеса в элементах газотурбинных двигателей/ A.A. Халатов, И.С. Варганов // Промышленная теплоэнергетика. 1996. - №6. -С. 3-9.

69. 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.

70. Швец, И.Т. Воздушное охлаждение деталей газовых турбин/ И.Т. Швец, Е.П. Дыбан. Киев: Наукова думка, 1974. - 488 с.

71. Demko, J.A. The Prediction and Measurement of Incompressible Flow in a Labyrinth Seal (Расчет и измерение несжимаемого течения в лабиринтномуплотнении) / J.A. Demko, G.L. Morrison, D.L. Rhode // Transactions of the

72. ASME. 1990. - Ser.A. - №4. - p.88-95.

73. Goldstein, R.J. Film cooling Effectiveness and Mass / Heat Transfer Coefficient Downstream of One Row of Discrete Holes/ R.J. Goldstein, P. Jin, R.L. Olson // Transactions of the ASME, Journal of Turbomachinery, October 1999. -v.121. -p.225-232.

74. Ha, T.W. Friction-Factor Characteristics for Narrow Channels With Honeycomb Surfaces/ T.W. Ha, G.L. Morrison, D.W. Childs // Transactions ofthe ASME. October 1992.

75. Ligrani, P.M. Film cooling From a Single Row of Holes Oriented in Span Wise / Normal Planes / P.M. Ligrani, A.T. Ramsey // Transactions of the ASME, Journal of Turbomachinery, October 1997. - v.l 19. - p.770-776.

76. Meyer, C.A. The leakage Thru Straight and Slant labyrinths and Honeycomb Seals/ C.A. Meyer, J.A. Lowrie // Transactions of the ASME. 1975. - v.97. -Ser.A. -№4. - p.34-41.

77. Nelson, C.C. Analysis for Leakage and Rotordynamic Coefficients of Surface-Roughened Tapered Annular Gas Seals. Honeycomb Seals/ C.C. Nelson // Transactions of the ASME. 1984. - v.106. - Ser.A. -№4. - p.158-165.

78. Sen, B. Film cooling With Compound Angle Holes: Heat Transfer / B. Sen, D.L. Schmidt, D.G. Bogard // Transactions of the ASME, Journal of Turbomachinery, October 1996. - v.l 18. - p.800-805.