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