Уплотнения при вдуве охлаждающего воздуха

Объект исследования: прямоточное сотовое уплотнение.

Результаты, полученные лично автором: создан экспериментальный стенд для исследования теплогидравлических характеристик сотового уплотнения при вдуве охлаждающего воздуха, экспериментально изучено влияние количества охлаждающего воздуха, подаваемого через сотовую поверхность, на гидравлическое сопротивление сотового уплотнения и глубину охлаждения его поверхностей.

В процессе эксплуатации турбоустановки вследствие нерасчетных силовых воздействий на ротор и статор турбины, термических расширений элементов проточной части, а также износа радиальные зазоры могут изменяться в значительных пределах. В авиадвигателестроении и последних конструкциях стационарных турбин в уплотнениях широко применяют сотовую поверхность, что позволяет достичь определенного положительного эффекта за счет снижения утечек рабочего тела и повышения надежности работы уплотнения в случае касания элементов ротора и статора. Наилучший уплотнительный эффект может быть достигнут лишь при соблюдении оптимальных конструктивных параметров сотовой структуры и уплотнения в целом.

Сотовая поверхность также может быть использована в системе охлаждения газотурбинного двигателя для подачи в сотовое уплотнение охлаждающего воздуха с целью уменьшения температуры элементов уплотнения и периферийной части рабочих лопаток. При этом существенное влияние на гидравлические характеристики уплотнения и эффективность охлаждения его поверхностей при подаче охлаждающего теплоносителя оказывают режим течения и конструктивные параметры сотовой структуры. Поэтому исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в сотовом уплотнении, а также эффективности охлаждения поверхностей канала уплотнения в случае подачи охлаждающего воздуха является актуальной задачей и представляет практический интерес.

Настоящие исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в статических моделях уплотнений выполнялись на экспериментальном стенде (рис. 1), в рабочем участке которого монтировались испытуемые модели сотового уплотнения.

Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки для исследования влияния вдува охлаждающего воздуха в сотовое уплотнение: 1 – термометр ртутный ТЛ-4; 2 – ресивер; 3 – теплоизоляция; 4 – труба подвода вдуваемого воздуха; 5 – регулятор напряжения ЛАТР 1М 220V 9А; 6 – вольтметр; 7 – электрический нагревательный элемент; 8 – расходомерное устройство (сопло); 9 – регулирующий вентиль; 10 – микроманометр ММН-250; 11 – водяной дифманометр; 12 – объемный компрессор; 13 – входное устройство; т.1, т.2, т.3 – места установки термопар

Рис. 2. Схема рабочего участка с системой подачи охлаждающего воздуха

В сотовых пластинах выполнялась система отверстий, за счет чего обеспечивался равномерный по всей площади сотовой структуры вдув охлаждающего воздуха в канал уплотнения перпендикулярно основному потоку рабочего тела (рис. 2).

Результаты экспериментальных исследований эффективности охлаждения поверхностей сотового уплотнения представлены в виде зависимости глубины охлаждения от коэффициента вдува , где – измеряемая температура поверхности канала, К; – температура охлаждающего воздуха, К; – температура основного потока (в отсутствие вдуваемого охлаждающего воздуха), К; – массовый расход охлаждающего воздуха, кг/с; – общий массовый расход рабочего тела через сотовое уплотнение, кг/с.

Основные выводы:

1. Экспериментально изучено влияние количества охлаждающего воздуха, подаваемого через сотовую поверхность, на гидравлическое сопротивление сотового уплотнения. При увеличении коэффициента вдува m, за исключением модели с и , наблюдается повышение гидравлического сопротивления и снижение до 3% общего расхода через сотовое уплотнение, что при прочих равных условиях приведет к увеличению КПД ступени.

2. Установлено влияние количества охлаждающего воздуха, подаваемого через сотовую поверхность, на эффективность охлаждения стенок сотового уплотнения. Как показали опыты, глубина охлаждения пластины с сотовой структурой и противоположной поверхности канала может достигать 65 и 12% соответственно.

3. Дальнейшее развитие и внедрение полученных результатов исследований позволит повысить срок безопасной эксплуатации турбомашины.

Материал поступил в редколлегию 02.05.2017

УДК 621.433

В. С. Степаниденко

Научный руководитель: доцент кафедры «Тепловые двигатели», к.т.н.,

Е.В. Дмитриевский

[email protected]