Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик прямоточного сотового уплотнения при вдуве охлаждающего воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик прямоточного сотового уплотнения при вдуве охлаждающего воздуха

В.Т. Перевезенцев, М.А. Шилин

Экспериментально изучено влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в прямоточном сотовом уплотнении. Установлена связь между характером изменения степени интенсификации гидравлического сопротивления, теплообмена и вихревой структурой в пространстве ячеек. Исследовано влияние вдува охлаждающего воздуха через поверхность с сотовой структурой на теплогидравлические свойства уплотнения. гидравлическое сопротивление охлаждающи воздух

Ключевые слова: сотовое уплотнение, гидравлическое сопротивление, теплообмен, охлаждающий воздух, эффективность охлаждения, надёжность работы, срок службы, безопасная эксплуатация.

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

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 [4]. 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.

Аналитический обзор работ [1;4-8], выполненных на базе ЦКТИ, ЦИАМ, БИТМ, МЭИ и посвященных экспериментальным и численным исследованиям аэродинамических характеристик сотовых уплотнительных устройств и теплообменных процессов в них, в том числе при организации охлаждения теплонапряженных элементов в проточной части высокотемпературных газовых турбин, позволил установить, что по эффективности и надежности работы сотовые уплотнения, допускающие контакт сопряженных поверхностей ротора и статора без разрушения конструкции, имеют определенные преимущества перед классическими лабиринтными, чем обусловливается перспективность их использования.

Анализ рассмотренной информации показывает, что проблема повышения экономичности и надежности работы турбомашин путем уменьшения величин зазоров в проточной части требует как совершенствования конструкций самих уплотнительных устройств, так и учета их теплогидравлических характеристик и эксплуатационных факторов. Однако обзор опубликованных работ по сотовым уплотнениям обнаруживает противоречивость части результатов исследований. Это обстоятельство, а также недостаток данных о физической сущности процессов, протекающих в каналах с сотовой поверхностью, указывают на необходимость дальнейших исследований особенностей течения и теплообмена в таких каналах.

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.

Экспериментальная установка состоит из участка стабилизации, рабочего участка (канала с сотовой структурой), расходомерного участка, системы прокачки рабочего тела, системы нагрева опытных образцов, системы измерений. Система прокачки рабочего тела обеспечивала массовый расход воздуха через экспериментальный участок = 0,007…0,08 кг/с. При экспериментальном исследовании влияния вдува охлаждающего воздуха через сотовую поверхность система нагрева опытных образцов заменялась на систему подачи охлаждающего воздуха, обеспечивающую массовый расход = 0…0,016 кг/с (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для проведения экспериментов был изготовлен набор моделей - пластин с напаянной сотовой структурой различной глубины ( = 2,4…24,0 мм), каждая из которых содержала 5 рядов по 14 сотовых ячеек с диаметром вписанной окружности = 12 мм. Высота рабочего канала H = 6…12 мм регулировалась при помощи калиброванных пластин-прокладок, устанавливаемых между опорными поверхностями экспериментальной установки и опытных образцов (рис. 3).

В расчетах использовались следующие геометрические комплексы: - относительная глубина сотовых ячеек; - относительная высота канала сотового уплотнения.

В случае проведения экспериментальных исследований влияния подачи охлаждающего воздуха через поверхность с сотовой структурой на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения поверхностей канала сотового уплотнения 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. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Целью первого этапа исследований [2] являлось изучение влияния геометрических параметров сотовой структуры и режима течения на гидравлическое сопротивление в канале, измеряемое как разность статических давлений до и после рабочего участка. Пластины с сотовой структурой, формирующие щелевой тракт, препарировались отборами статического давления p потока в двух фронтальных сечениях канала: на расстоянии м до начала контрольного участка длиной L = 0,17 м (pвх) и на выходе из него на расстоянии м (pвых).

Для расчета коэффициента гидравлического сопротивления использовалась зависимость , где G - массовый расход рабочего тела; - площадь поперечного сечения канала; L - длина контрольного участка канала; - гидравлический диаметр канала; - плотность рабочего тела; - изменение (потери) статического давления в потоке рабочего тела на контрольной длине L канала. На основании проведенных экспериментальных исследований модельных и гладкостенных каналов рассчитывалась степень интенсификации гидравлического сопротивления и формировались зависимости ; ( - коэффициент гидравлического сопротивления в гладкостенной модели).

Второй этап экспериментальных исследований [3] был посвящен определению характеристик теплообмена в канале с сотовой структурой. Использовался стационарный метод, при котором определялись величина теплового потока через исследуемую поверхность и перепад температур между потоком и стенкой.

Исследования теплообмена выполнялись в условиях постоянства теплового потока через поверхность опытного образца Вт/м2 и температурного фактора (, - средние температуры стенки и потока соответственно). В качестве рабочего тела использовался осушенный воздух.

По данным экспериментальных исследований модельных и гладкостенных каналов рассчитывалась степень интенсификации теплообмена и формировались зависимости ; (при ) ( - критерий Нуссельта для гладкостенных моделей).

На основании результатов первого и второго этапов исследования рассчитана энергетическая эффективность применения сотовой структуры в прямоугольном канале и сопоставлена с аналогичными параметрами других интенсификаторов теплообмена.

Третий этап исследований состоял в изучении влияния геометрических параметров сотовой структуры и канала уплотнения, а также количества вдуваемого охлаждающего воздуха на величину гидравлического сопротивления в канале и эффективность охлаждения его поверхностей.

В экспериментальных исследованиях в качестве обоих теплоносителей использовался воздух, в результате чего стало возможно выполнить эксперимент зеркально («охлаждающий» воздух являлся горячим теплоносителем). Основной теплоноситель подавался в осевом направлении, охлаждающий воздух - через систему отверстий в пластине с сотовой структурой перпендикулярно к направлению движения основного потока. В процессе опытов варьировалась величина расхода охлаждающего воздуха, чем обусловливалось изменение тепловых режимов. Постоянство температуры охлаждающего теплоносителя при различных значениях его расхода обеспечивалось изменением количества подводимой к нему теплоты.

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.

Выполненные испытания экспериментальных моделей с различной относительной глубиной ячеек () показали, что размещение сотовой поверхности на одной из стенок канала сотового уплотнения неизбежно приводит к увеличению коэффициента гидравлического сопротивления при любых исследованных значениях геометрических параметров сотовой структуры () и канала () по сравнению с аналогичными характеристиками для гладкостенных моделей во всем исследованном диапазоне чисел ( - cреднерасходная скорость воздуха в рабочем участке; - плотность воздуха в рабочем участке; - динамический коэффициент вязкости при средней температуре воздуха; - гидравлический диаметр; - площадь поперечного сечения канала; П - смоченный периметр).

С учетом результатов предварительных опытов и данных из работ других авторов более детальные экспериментальные исследования гидравлического сопротивления и теплообмена, а также математическая обработка полученных данных были проведены для моделей при следующих значениях безразмерных геометрических комплексов: ( в случае исследования теплообмена); . Согласно результатам экспериментов, в указанном интервале геометрических параметров сотового уплотнения эффекты интенсификации гидравлического сопротивления и теплообмена имеют наибольшие значения-экстремумы, значительно снижаясь в дальнейшем.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полученная зависимость величины избыточного гидравлического сопротивления от относительной глубины сотовой структуры в интервале при имеет два характерных участка (рис. 5). В интервале происходит монотонное увеличение степени интенсификации, которая достигает наибольших значений при (). Дальнейшее повышение относительной глубины ячеек в интервале характеризуется уменьшением гидравлического сопротивления (). Зависимость избыточного гидравлического сопротивления от относительной высоты канала для рассмотренного диапазона геометрических параметров ( и ) имеет степенной вид с показателем степени .

Установленные эмпирические законы индивидуального влияния каждого из определяющих геометрических параметров позволили обобщить результаты измерений едиными зависимостями величины степени интенсификации гидравлического сопротивления от этих геометрических показателей: (при ); (при ).

Эти обобщения в совокупности с известными данными по гидравлическому сопротивлению в плоских гладкостенных каналах при автомодельном режиме течения позволили сформировать зависимости для сопротивления в каналах с сотовой структурой в виде (при ); (при ).

Результаты экспериментального исследования теплообмена в моделях сотового уплотнения, представленные в виде зависимости , показали, что размещение сотовой структуры на поверхности канала изменяет только абсолютный уровень интенсивности теплообмена, но не влияет на закон изменения уровня теплообмена в зависимости от величины числа . Для всех исследованных каналов (), независимо от геометрических показателей сотовой структуры (), интенсивность теплообмена на сотовой поверхности оставалась пропорциональной числу в степени , как и в базовых законах теплообмена для каналов с гладкими стенками.

Зависимости интенсификации теплообмена в сотовом уплотнении имеют нелинейный характер: ее значения увеличиваются с ростом относительной глубины ячеек в интервале и уменьшаются при увеличении относительной высоты канала. При увеличении значений относительной глубины сотовой структуры более происходит монотонное снижение степени интенсификации теплообмена (рис. 6). При ее значения оказываются ниже аналогичных значений для гладкостенного канала при прочих равных режимных и геометрических параметрах. Зависимость избыточного теплообмена от относительной высоты канала для всего исследованного диапазона геометрических параметров ( и ) имеет степенной вид с показателем степени .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальные исследования влияния сотовой структуры на теплообмен на противоположной гладкой поверхности канала обнаружили его интенсификацию в 2,0…2,5 раза. Уровень интенсификации в значительной мере зависит от относительной удаленности поверхности от сотовой структуры и от относительной глубины ячеек. Из полученных данных следует, что интенсификация теплообмена на гладкой поверхности канала возникает и увеличивается только при приближении к ней противоположной поверхности с сотовой структурой, достигая наибольших значений при = 0,5, а также при относительной глубине сотовой структуры в интервале , при которой наблюдается максимальное гидравлическое сопротивление вследствие наиболее активного влияния потока из пространства сотовых ячеек на основное течение в канале.

Полученные эмпирические законы индивидуального влияния на теплообмен каждого из определяющих геометрических параметров сотовой структуры и канала уплотнения позволили обобщить результаты измерений едиными зависимостями (при ) и (при ). Эти обобщения в совокупности с известными данными по теплообмену в плоских гладкостенных каналах позволили сформировать зависимости для теплообмена в каналах с сотовой структурой в виде (при ); (при ).

Экспериментальные зависимости степени интенсификации гидравлического сопротивления и теплообмена в канале с сотовой структурой во всем исследованном интервале значений относительной глубины сотовых ячеек можно разделить на два характерных участка: и . При относительной высоте сотовой структуры наблюдаются явные максимумы гидравлического сопротивления и теплообмена, что также подтверждается экспериментальными исследованиями других авторов [1;9].

Указанные явления могут быть объяснены специфической вихревой структурой, характерной только для интервала значений относительной глубины сотовых ячеек . В указанном интервале увеличивается количество вихрей в пространстве каждой ячейки, оказывающих влияние на основное течение, что обусловливает интенсификацию гидравлического сопротивления и теплообмена в канале. В пространстве ячейки последовательно (по ходу потока) образуются два вихря, причем второй приблизительно в полтора-два раза больше первого по объему (рис. 7б).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, основной поток дважды претерпевает ускорение по мере движения вдоль каждой сотовой ячейки: первый раз - под входной кромкой ячейки и второй раз - в зоне среднего сечения ячейки.

При дальнейшем увеличении относительной глубины сотовой структуры вихревая структура перестраивается, и при глубине ячейки, равной ее диаметру (рис. 7в), в пространстве ячейки располагается уже один вихрь, который незначительно взаимодействует с основным потоком у границ ячейки. В итоге сотовая ячейка с относительной глубиной по гашению энергии основного потока оказывается эффективнее двух ячеек с относительной глубиной 1,0 [9].

В глубоких ячейках с относительной глубиной и более наблюдаются два вихря, расположенные по высоте и вращающиеся в противоположных направлениях (рис. 7г). При такой вихревой структуре гидравлическое сопротивление в канале сравнительно невелико.

Уменьшение интенсификации теплообмена на поверхности с сотовой структурой при увеличении относительной глубины ячеек более 0,6 связано как с характером вихреобразования в пространстве сот, так и с появлением застойных зон у основания ячеек, в которых рабочее тело выступает в качестве тепловой изоляции между поверхностью и основным потоком в канале.

Исследуемый способ интенсификации теплообмена сопоставлялся по показателям и со следующими широко применяемыми в практике охлаждения элементов высокотемпературных газовых турбин способами: при помощи системы кольцевых ребер, размещенных в цилиндрическом канале поперек потока; при помощи системы ребер, размещенных в прямоугольном канале поперек или под углом к потоку на одной, двух противоположных или всех его поверхностях; при помощи системы компланарно перекрещивающихся под углом 2в каналов в ограниченных по ширине щелевых трактах (вихревой способ интенсификации); при помощи системы упорядоченных рельефов из сферических углублений, размещенной в прямоугольных щелевых каналах (смерчевой способ интенсификации) (рис. 8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно экспериментальным исследованиям, поверхность канала с сотовой структурой по уровню интенсификации теплообмена не уступает, но проигрывает по энергетической эффективности некоторым из рассмотренных способов интенсификации, при этом показатель всегда больше 1,0. Для сотовой структуры характерны сравнительно большие величины интенсификации гидравлического сопротивления , которые при любых исследованных геометрических параметрах превосходят значения интенсификации теплообмена . Наибольшие значения энергетической эффективности наблюдаются в условиях и (;
;), т. е. в условиях стесненного канала и при наибольших значениях гидравлического сопротивления и теплообмена.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно результатам экспериментов, посвященных изучению влияния вдува охлаждающего воздуха в рабочий канал через сотовую поверхность на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения поверхностей сотового уплотнения, изменение геометрических параметров сотовой структуры и канала в диапазоне и при фиксированной величине коэффициента вдува m в большей степени влияет на глубину охлаждения на противоположной сотовой структуре гладкой поверхности (рис. 9).

При уменьшении относительной высоты канала в модели, для которой характерна наибольшая интенсификация гидравлического сопротивления в канале (), глубина охлаждения может достигать 12%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Непосредственно на поверхности с сотовой структурой, в случае вдува охлаждающего воздуха через систему отверстий в ней, во всех исследованных моделях наблюдались высокие значения глубины охлаждения (), возрастающие при увеличении относительной высоты канала и относительной глубины сотовой структуры (рис. 10).

По результатам экспериментальных исследований гидравлического сопротивления при вдуве охлаждающего воздуха в сотовое уплотнение установлено различное (в зависимости от геометрических параметров сотовой структуры и канала) изменение гидравлического сопротивления , общего расхода и расхода утечки при увеличении коэффициента вдува m (рис. 11). Для модели с относительной глубиной сотовой структуры при , для которой при отсутствии вдува характерны сравнительно невысокие значения степени интенсификации гидравлического сопротивления (), при повышении коэффициента вдува m наблюдается наибольшее по сравнению с другими моделями увеличение гидравлического сопротивления в канале ( при m = 15%).

Снижение величины общего расхода через сотовое уплотнение наблюдается для всех моделей, кроме канала с и , для которого характерны наибольшие значения гидравлического сопротивления.

Наблюдаемые в ходе экспериментальных исследований эффекты интенсификации гидравлического сопротивления в канале могут быть полезны в случае применения сотовой структуры неоптимальной, по критерию минимума утечки, глубины (): за счет вдува охлаждающего воздуха будут достигаться более высокие значения гидравлического сопротивления, что приведет к снижению утечки через уплотнение. При этом благодаря глубоким ячейкам сотовый массив будет сохранять свою целостность и обеспечивать надежность работы при возможном задевании сотовой структуры элементами ротора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, вдув охлаждающего воздуха через систему отверстий в пластине с сотовой структурой обеспечивает возможность интенсифицировать гидравлическое сопротивление в канале в конструкциях уплотнительных устройств с сотовой структурой с относительной глубиной, отличной от оптимальной (), повысить глубину охлаждения поверхностей канала. Экспериментальные исследования показали, что указанные эффекты зависят только от геометрических параметров модели и коэффициента вдува m.

Выводы:

Экспериментальные исследования показали, что режимные и геометрические параметры оказывают значительное влияние на теплогидравлические характеристики сотовых уплотнений рабочих колес осевых газовых турбин и во многом определяют особенности организации подачи охлаждающего воздуха через сотовую поверхность в уплотнение.

Экспериментально доказаны эффекты интенсификации гидравлического сопротивления и теплообмена в канале сотового уплотнения, выявлено их возрастание при уменьшении относительной высоты канала и достижение наибольших значений в интервале относительных высот сотовой структуры . Получены критериальные зависимости, отражающие влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в сотовом уплотнении.

Рассчитана энергетическая эффективность применения сотовой структуры в уплотнении. Выявлено, что отношение величин гидравлического сопротивления и теплообмена в исследованном диапазоне параметров всегда больше 1,0 и имеет минимальные значения 1,22…1,40 при и . Выполнено сопоставление сотовой поверхности по энергетической эффективности с другими широко применяемыми в практике охлаждения элементов высокотемпературных газовых турбин способами интенсификации теплообмена.

Обнаружены эффекты интенсификации теплообмена на противоположной сотовой структуре поверхности, достигающие наибольших значений при и и уменьшающиеся при увеличении относительной высоты канала .

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.

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.

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

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 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.

2. Буглаев, В.Т. Экспериментальное исследование гидравлических сопротивлений в канале с сотовой структурой / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, М.А. Шилин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2012. - №3. - С. 84-90.

3. Буглаев, В.Т. Экспериментальное исследование теплообмена в канале с сотовой структурой / В.Т. Буглаев, В.Т. Перевезенцев, В.М. Шкодин, М.А. Шилин // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2013. - №1. - С. 72-79.

4. 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.

5. Костюк, А.Г. Практический опыт внедрения сотовых надбандажных уплотнений на турбоагрегатах мощностью 60ч800 МВт / А.Г. Костюк, В.Г. Грибин, Б.Н. Петрунин [и др.] // Труды Второй всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем. - М.: НИУ «МЭИ», 2012.

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

7. 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.

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

9. Weighardt, K. Erholung des turbulenten Reibungswiderstandes durch Uberflachenstorungen / K. Weighardt // Forch. fur Schif. - 1953. - №1. - Р. 65-81.

Размещено на Allbest.ru