Диссертация (Безлопаточные центробежные ступени для турбодетандеров малой мощности), страница 24

Шаг гребней уплотнения выбран большимс целью максимально снизить требования к точности взаимного осевого позиционированияроторных и статорных деталей. Количество камер равняется шести. Шаг гребней составляет6,5 мм. Эскизы петлевого лабиринтного уплотнения модельной ЦбРТ и предложенногоступенчатого уплотнения представлены на рисунке 4.9.139Рисунок 4.9 – Эскизы лабиринтных уплотнений4.2.2. Подход к численному моделированию уплотненийРассматривалась стационарная задача.

Поскольку уплотнение имеет осевую симметрию,применялся подход секторного моделирования, был выбран сектор с углом раствора 5°. Доменуплотнения стационарный, задается вращение внутренней стенки.Как следует из рисунка 4.9, поток из последней камеры уплотнения захватываетсявращающимся диском и выбрасывается в объем выходного патрубка. В этой связи в расчетнуюобласть частично включены стенка диска и объем выхлопного патрубка.

Поскольку радиальноедвижение потока не является устойчивым, на выходной границе расчетной области поставленоусловие Opening. Температура на выходной границе определена из условия сохраненияэнтальпии при движении потока через уплотнение. Общий вид расчетной области представленна рисунке 4.10. Спецификация расчетной модели и граничных условий приведена в таблице4.3.Необходимая размерность расчетной сетки определена на основе рекомендаций помоделированию аналогичных объектов [2, 64]. Расчеты проводились с использованиемнизкорейнольдсовой версии модели турбулентности k-ω SST. Величина безразмернойпристенной координаты удовлетворяла условию y+ < 3.

Размерность расчетной сетки при этомсоставила 7,2 млн. узлов.140Рисунок 4.10 – Общий вид расчетной области сектора уплотненияТаблица 4.3 – Спецификация расчетной модели уплотненияПодход к моделированиютурбулентностиRANS, low-Re SSTВременная дискретизацияURANSРабочее телоМетан, описываемый уравнениемсостояния Ридлиха-КвонгаПараметры на входеПолное давление 1,9 МПаПолная температура 288 КСтепень турбулентности 5%Статические параметры навыходе(0,76 МПа; 282,6 К)(0,6 МПа; 281,8 К)(0,413 МПа; 280,9 К)(0,317 МПа; 280,5 К)Параметры шероховатостиПредположение гладких стенокЧастота вращения ротора3000, 11000, 16000 об/мин1414.2.3.

Показатели работы ступенчатого лабиринтного уплотненияВ результате проведенных расчетов получены характеристики расхода рабочего тела взависимости от степени понижения давления турбины πТ для трех различных частот вращенияЦбРТ: 3 000; 11 000 и 16 000 об/мин. Зависимости представлены на рисунке 4.11 и в таблице4.4. Приводятся также максимальные числа Маха истечения потока из последней камерыуплотнения.Характеристики нелинейны при πт=2,5 и 3,17. Далее, зависимость расхода от степенипонижения давления приобретает линейный характер, что объясняется наступлениемкритического режима истечения из последней камеры и подтверждается приведеннымимаксимальными числами Маха. Частота вращения ЦбРТ оказывает влияние на расход рабочеготела через уплотнение даже при критическом режиме истечения, что опровергает данные,полученные в работе В.В.

Носова [26], и заложенные в одномерную математическую модельЦбРТ. При повышении частоты вращения от 3000 до 16 000 об/мин расход утечки сокращаетсядля ступенчатого уплотнения примерно на 10%, что эквивалентно приросту внутреннего КПДна 0,3%.0,220G, кг/с0,2150,2100,2050,2000,1950,19030000,185110000,180160000,1752345πт6Рисунок 4.11 – Расход утечки для ступенчатого уплотненияТаблица 4.4 – Показатели ступенчатого уплотнения ЦбРТπтn,об/минG, кг/с300011000160003000110001600030001100016000300011000160000,2020,1880,1800,2070,1960,1880,2130,2020,1920,2150,2060,194Mmax0,7470,7040,7220,9070,9750,8801,0811,1641,1201,3871,3191,398πт=2,5πт=3,17πт=4,6πт=6142Для оценки эффективности предложенного ступенчатого уплотнения проведем егосравнение с петлевым уплотнением, использовавшимся в модельной ЦбРТ.

Будем оцениватьотношение расхода утечки через уплотнение к расходу через рабочее колесо. Поправка наразличные отношения площади критического сечения сопл к площади уплотнения выполняетсяпутем введения коэффициента χ, как описано в разделе 2.3.4.

Для ступенчатого уплотненияпредставлены непосредственно расчетные данные. Для петлевого – приведенные с учетомпоправки. Результаты приводятся на рисунке 4.12.Как видно, относительный расход ступенчатого уплотнения несколько выше для областиπТ<3,5. Далее он снижается, демонстрируя лучшую эффективность ступенчатого уплотнения наболеевысокихперепадах.ОбластьπТ>4,6характеризуетсялинейнымповедениемотносительного расхода в результате достижения критического режима истечения из последнейкамеры. Для расчетного режима ЦбРТ πТ=3,17 имеет место несколько больший относительныйрасход ступенчатого уплотнения, однако ухудшение характеристик по сравнению с петлевымуплотнением не превышает 5%. Для области πТ>4 ступенчатое лабиринтное уплотнениепоказывает относительный расход утечки на 15…20% меньше, что эквивалентно увеличениювнутреннего КПД установки порядка 1-го процента для режима максимальной эффективности.0,18000Gут/Gрк0,160000,140000,120000,100000,080000,06000(Gут/Gрк)ступ0,04000(Gут/Gрк)петл прив0,02000πт0,0000023456Рисунок 4.12 – Относительный расход утечки для ступенчатого и петлевого уплотненийТаким образом, предложенное ступенчатое лабиринтное уплотнение обладает высокойтехнологичностью, облегчает сборку ЦбРТ и показывает лучшие характеристики по сравнениюс петлевым лабиринтным в типовом рабочем диапазоне степеней понижения давления ЦбРТ.1434.2.4.

Дальнейшее совершенствование бесконтактных иприменение контактныхуплотненийЭффективностьбесконтактныхлабиринтныхуплотненийзависитотвеличинырадиального зазора, формы камер и их количества, а также конфигурации гребней уплотнений[23]. Последний фактор указывает на возможности дальнейшего совершенствованияуплотнений без существенного ухудшения их технологичности. Работа В.Ю. Ильичева [16]посвящена исследованию влияния угла наклона гребней лабиринтных уплотнений на расходутечки. Исследовался наклон гребней как по потоку, так и против потока. Конфигурацииисследованных уплотнений и полученные расходы утечки приведены на рисунке 4.13. Былопоказано, что минимальный расход достигается при угле 135° (45° против потока) идальнейшее уменьшение угла нецелесообразно как с точки зрения эффективности, так и стехнологической точки зрения.Рисунок 4.13 – Конфигурация лабиринтных уплотнений с наклоном гребня и полученныезначения расхода утечки [16]144Работы сотрудников Пермского завода авиадвигатель [32] по применению сотовыхуплотнений в газотурбинных двигателях показывают возможность существенного уменьшениярасхода утечки за счет применения статора с сотовой структурой по сравнению с гладкимстатором.

Врезание уплотнительных гребней на 1,6 мм в ответную часть с диаметром сот 3,5ммвызывает снижение расхода утечки в 1,5 раза, а с диаметром сот 2,75 мм – в 2 раза.Интересным является то, что применением наклона образующих уплотнения противдвижения потока является рекомендуемым решением и для сотовых уплотнений. ПатентW.Ackermann [92] описывает конструкцию сотового уплотнения с углом наклона ячеексотового уплотнения на 45°, она приводится на рисунке 4.14.Рисунок 4.14 – Сотовое уплотнение с наклоном ячеек против потокаНесмотря на качественные результаты, достигаемые применением сотовых уплотнений,существуют ограничения их применения, приводящиеся в работе В.Т.Буглаева [3], связанные с:Возникновением переменных аэродинамических сил при пульсационном движениипотока, заполняющего и покидающего соты при перемещении рабочих лопатокотносительно сот.

Такой режим течения является неблагоприятным с точки зрениявозможной реализации резонансных режимов работы уплотнения, что ухудшаетего надежность;Сложном технологическом процессе получения сотовых структур, требующемвысокотемпературной пайки в вакууме.В этой связи, продолжаются работы, направленные на создание материалов истираемыхуплотнений, имеющих высокую долговечность и лишенных указанных недостатков. Так,ученые из ВИАМ [41] разработали материал, состоящий из металлических волокон,обладающий хорошей истираемостью, но при этом высокой эрозионной стойкостью ипрочностными характеристиками.1454.3.ВыводыВ результате проведения работ по разработке и численной апробации диффузора всоставе ЦбРТ могут быть сформулированы следующие выводы:1.Проведен анализ и выделены факторы, определяющие режим течения иэффективность диффузора в составе ЦбРТ:2.Угол закрутки потока на выходе из турбины в абсолютном движении;Наличие инжекции расхода утечки в корневую часть диффузора;Неравномерность параметров потока в окружном и радиальном направлении;Степень турбулентности потока.Определен подход к численному моделированию диффузора в составе ЦбРТ.Обоснована необходимость совместного расчета диффузора и рабочего колеса.Показано, что для определения эффективности ЦбРТ с диффузором долженприменяться подход совместного расчета рабочего колеса, диффузора и сборнойвыходной камеры в постановке полной окружности.3.Обоснованно предложены и исследованы 6 вариантов диффузоров.

Проведенанализ структуры потока и особенностей работы диффузоров в условиях высокойнеравномерности и сильной закрутки потока на выходе из ЦбРТ.4.Выявлено,чтооптимальнаяконструкциядиффузораявляется,посути,конфузорно-диффузорной, где площадь живого сечения сначала уменьшается дляснижениянеравномерностипотока,затемувеличиваетсядлясозданиядиффузорного эффекта. При этом, влияние эффективной площади на входе вдиффузор F2eff на эффективность последнего существенно больше влияния степениувеличения площади диффузора n.5.Диффузорсгиперболическимиобразующимидемонстрируетнаилучшиепоказатели за счет минимизации силового воздействия на поток и преобразованияокружной компоненты скорости cu в потенциальную энергию давления.6.Показано, что на режиме максимальной эффективности прирост внутреннеймощности при использовании диффузора V6 составляет более 5%, а приростэффективности ДГА –2,3%.

При рассмотрении же всего диапазона допустимыхчастот вращения, использование диффузора способно принести выигрыш до 7,4%по мощности и 3% по внутреннему КПД.7.На номинальном режиме исследуемого ЦбРТ при u2/C0=0,3 применение диффузоране приносит заметного прироста внутреннего КПД. Прирост мощности в 2,5%146является незначительным. Вопрос о применении диффузора находится в плоскостиэкономической целесообразности.В результате работ по совершенствованию бесконтактных и применению контактныхуплотнений получены следующие результаты:1.Разработано ступенчатое лабиринтное уплотнение, повышающее простоту сборкиЦбРТ в части обеспечения осевого зазора и имеющее характеристики на 15…20%лучше, чем петлевое лабиринтное при характерных для ЦбРТ степеней понижениядавления πТ>3. Применение этого варианта уплотнения позволяет увеличитьвнутренний КПД установки на 1% в области максимальной эффективности.2.Показана возможность совершенствования лабиринтных уплотнений ЦбРТ путемвведения наклона гребня уплотнения против потока на 45°.