Экспериментальное исследование теплогидравлических характеристик прямоточного сотового уплотнения при вдуве охлаждающего воздуха Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.165

В.Т. Перевезенцев, М.А. Шилин, И.И. Усачев

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЯМОТОЧНОГО СОТОВОГО УПЛОТНЕНИЯ ПРИ ВДУВЕ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ВОЗДУХА

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.

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 авиадви-гателестроении 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 противоре-

чивость 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 Ообщ = 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 Оохл = 0.0,016 кг/с (рис. 2).

Н ш .J

Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в сотовом уплотнении: 1 - термометр ртутный ТЛ-4; 2 - отборы статического давления на входе в рабочий участок (рет); 3 - канал с сотовой структурой (рабочий участок); 4 - сотовая структура; 5 -набор термопар; 6 - отборы статического давления на выходе из рабочего участка (Рных); 7 - термометр сопротивления; 8 - мост постоянного тока МО-62 с наружным гальванометром М 195/3; 9 - термометр ртутный ТЛ-4; 10 - аэродинамическая труба; 11 - расходомерное устройство (диафрагма); 12 - ресивер; 13 - вентилятор низкого давления; 14 - перепускной вентиль; 15 - микроманометр ММН-250; 16 -водяной дифманометр; 17 - теплоизоляция; 18 - электрический нагревательный элемент; 19 - блок переключения термопар; 20 - потенциометр ПП-63; 21 -вольтметр; 22 - амперметр; 23 - регулятор напряжения ЛАТР 1М 220V 9А

С I—-

^ --

Воз;у* --

^ т. II т.21 т.31

Рис. 2. 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

Для проведения экспериментов был изготовлен набор моделей - пластин с напаянной сотовой структурой различной глубины (hя = 2,4...24,0 мм), каждая из которых содержала 5 рядов по 14 сотовых ячеек с диаметром вписанной окружности d я = 12 мм. Высота рабочего канала Н = 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: h = hя /ёя - относительная глубина сотовых ячеек; Н = Н / ёя - 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).

Рис. 3. Схема канала с сотовой Рис. 4. Схема рабочего участка

структурой на одной из стенок с системой подачи охлаждающего воздуха

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 р потока в двух фронтальных сечениях канала: на расстоянии

20 -10-3 м до начала контрольного участка длиной L = 0,17 м (рвх) и на выходе из него на

расстоянии 20 -10-3 м (рвых).

Для расчета коэффициента гидравлического сопротивления использовалась зависимость Х = 2Дрр^ / Fк )2(Ь / )-1, где G - массовый расход рабочего тела; ^ - площадь поперечного сечения канала; L - длина контрольного участка канала; dг - гидравлический диаметр канала; р - плотность рабочего тела; Др = рвх - рвых - 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 у/Х = Х / Х0 и формировались зависимости у/Х = f (Н; Н); ХЕ= 0,018^ ( Х0 - 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 q = F через исследуемую поверхность и перепад температур At между потоком и стенкой.

Исследования теплообмена выполнялись в условиях постоянства теплового потока

4 2

через поверхность опытного образца qc > 1,5 • 10 Вт/м и температурного фактора Тс = Тс / Тп < 1,4 ( Тс, Тп - 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 у/а = Nud / Nud0 и формировались

зависимости уа = f (к;Н); = 2,2\Л0~2уа Re0,8 Рг0,4 Т;0'55 (при X|H > 20) (Nud0 -критерий Нуссельта для гладкостенных моделей).

На основании результатов первого и второго этапов исследования рассчитана энергетическая эффективность у/ = Ух /уа 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 Оохл обеспечивалось изменением количества подводимой к нему теплоты.

Результаты экспериментальных исследований эффективности охлаждения поверхностей сотового уплотнения представлены в виде зависимости глубины охлаждения

® = (Тосн - Тизм ) /(Тосн - Тохл ) от коэффициента вдува т = Оохл / Gобщ , где Тшм - измеряемая

температура поверхности канала, К; Тохл - температура охлаждающего воздуха, К; Тосн -температура основного потока (в отсутствие вдуваемого охлаждающего воздуха), К; Оохл - массовый расход охлаждающего воздуха, кг/с; Ообщ = Оут + Оохл - общий массовый расход рабочего тела через сотовое уплотнение, кг/с.

Выполненные испытания экспериментальных моделей с различной относительной глубиной ячеек (к = 0,2...2,0) 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 (к ) и канала (Н ) по сравнению с аналогичными характеристиками для гладкостенных моделей во всем исследованном диапазоне чисел

Red = Р™./ (Ж - среднерасходная скорость воздуха в рабочем участке; р - плотность

воздуха в рабочем участке; ¡л - динамический коэффициент вязкости при средней темпе-

ратуре воздуха; dz - - 2H - гидравлический диаметр; FK - 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: h - 0,2...1,0 (h - 0,2...1,25 в случае исследования теплообмена); H - 0,5... 1,0 . Согласно результатам экспериментов, в указанном интервале геометрических параметров сотового уплотнения эффекты интенсификации гидравлического сопротивления и теплообмена имеют наибольшие значения-экстремумы, значительно снижаясь в дальнейшем.

Полученная зависимость величины избыточного гидравлического сопротивления от

относительной глубины сотовой структуры цх -1 - f (hnh ) в интервале h - 0,2... 1,0 при

H - idem имеет два характерных участка (рис. 5). В интервале h - 0,2...0,42 происходит монотонное увеличение степени интенсификации, которая достигает наибольших значений при h - 0,42 (щ - 0,42). Дальнейшее повышение относительной глубины ячеек в интервале h - 0,42...1,0 характеризуется уменьшением гидравлического сопротивления (щ =-0,5). Зависимость избыточного гидравлического сопротивления Цх — 1 от относительной высоты H канала для рассмотренного диапазона геометрических параметров (h - 0,2...1,0 и H - 0,5...1,0) имеет степенной вид с показателем степени nH - —0,28 .

Установленные эмпирические законы индивидуального влияния каждого из определяющих геометрических параметров позволили обобщить результаты измерений едиными зависимостями величины степени интенсификации гидравлического сопротивления - Х /Л0 от этих геометрических показателей:

-1 + 6,47h°'42/H0'28 (при h - 0,2...0,42); -1 + 2,83h~"0'7H0'28 (при h - 0,42...1,0). 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

X- 0,018(1 + 6,47 h~0'47H0'28) (при h - 0,2...0,42); As- 0,018(1 + 2,83h~0'5/ H0'28) (при h - 0,42...1,0).

Результаты экспериментального исследования теплообмена в моделях сотового уплотнения, представленные в виде зависимости Nud Pr-0,4 Тс0'55 - f (Red), 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 Red. Для всех исследованных каналов

(H - 0,5... 1,0), независимо от геометрических показателей сотовой структуры (h - 0,2...1,25), интенсивность теплообмена на сотовой поверхности оставалась пропорциональной числу Re d в степени n - 0,8, как и в базовых законах теплообмена для каналов с гладкими стенками.

Рис. 5. Влияние относительной глубины h сотовой структуры на степень интенсификации гидравлического сопротивления в канале с относительной высотой Н = 1,0

Рис. 6. Влияние относительной глубины к сотовой структуры на степень интенсификации теплообмена в сотовом уплотнении при Н = 1,0

Зависимости интенсификации теплообмена уа в сотовом уплотнении имеют нелинейный характер: ее значения увеличиваются с ростом относительной глубины ячеек в интервале к = 0,20...0,55 и уменьшаются при увеличении относительной высоты Н канала. При увеличении значений относительной глубины сотовой структуры более к > 0,55 происходит монотонное снижение степени интенсификации теплообмена (рис. 6). При к > 1,50 ее значения оказываются ниже аналогичных значений для гладкостенного канала при прочих равных режимных и геометрических параметрах. Зависимость избыточного теплообмена у/а -1 от относительной высоты Н канала для всего исследованного диапазона геометрических параметров (к = 0,20...1,25 и Н = 0,5... 1,0 ) имеет степенной вид с показателем степени пН = -0,5 .

Экспериментальные исследования влияния сотовой структуры на теплообмен на противоположной гладкой поверхности канала обнаружили его интенсификацию в 2,0.2,5 раза. Уровень интенсификации у/а в значительной

мере зависит от относительной удаленности Н поверхности от сотовой структуры и от относительной глубины к 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 Н = 0,5, а также при относительной глубине сотовой структуры в интервале к = 0,4...0,55, 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

у/а = 1 + 4,53к0,87Н0,5 (при к = 0,20...0,55 ) и уа = 1 + 0,74к"2'30/Н0,5 (при к = 0,55...1,25). Эти обобщения в совокупности с известными данными по теплообмену в плоских гладко-стенных каналах позволили сформировать зависимости для теплообмена в каналах с сотовой структурой в виде Шл = 2,21-10-2(1 + 4,53 к °'88/Н 0'5^е0/ Ргм Тс ~0'55 (при

к = 0, 20...0, 55); Шл = 2,21-10-2(1 + 0,74к~2'30/Н0'5^,8 РгмТ/'55 (при к = 0,55...1,25).

Экспериментальные зависимости степени интенсификации гидравлического сопротивления и теплообмена в канале с сотовой структурой во всем исследованном интервале значений относительной глубины сотовых ячеек к = 0,2...1,25 можно разделить на два характерных участка: к = 0,2...0,55 и к = 0,55...1,25. При относительной высоте сотовой структуры к = 0,4...0,6 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 к = 0,4...0,6. 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. 76).

Ь=0,33_

г)

а)

ш

б)

в)

Рис. 7. Структура течения в пространстве ячеек при различной относительной глубине сотовых ячеек: а - h = 0,33; б - h = 0,5; в - к = 1,0; г - к = 2,0

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 к = 0,5 по гашению энергии основного потока оказывается эффективнее двух ячеек с относительной глубиной к = 1,0 [9].

В глубоких ячейках с относительной глубиной к = 2,0 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 к = 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 у/а и у/х 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).

% 4

— У 7

—

= ...... .^ь )

м

г 1 1

А 1 1 1 1 ■ 1 \ 1 1 1

10 12

Ух

Рис. 8. Сопоставление эффективности различных способов интенсификации теплообмена по результатам измерений щ а и щ д : а -

цилиндрические каналы с кольцевым оребре-нием; Ь - прямоугольные каналы с оребрением поперек или под углом к потоку; с - вихревой способ; d - смерчевой способ; f - прямоугольные каналы с сотовой структурой на одной из стенок

Согласно экспериментальным исследованиям, поверхность канала с сотовой структурой по уровню интенсификации теплообмена ща не уступает, но проигрывает по

энергетической эффективности щ = Щх /ща некоторым из рассмотренных способов интенсификации, при этом показатель щ всегда больше 1,0. Для сотовой структуры характерны сравнительно большие величины интенсификации гидравлического сопротивления , которые при любых исследованных геометрических параметрах превосходят значения интенсификации теплообмена ща. Наибольшие значения энергетической

эффективности наблюдаются в условиях И = 0,4...0,6 и Н = 0,5 (щд = 6,46; ща = 4,70= 1,37), т. е. в условиях стесненного канала и при наибольших значениях гидравлического сопротивления и теплообмена.

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 = 0,2...1,0 и Н = 0,5...1,0 при фиксированной величине коэффициента вдува т в большей степени влияет на глубину охлаждения на противоположной сотовой структуре гладкой поверхности (рис. 9).

При уменьшении относительной высоты канала Н в модели, для которой характерна наибольшая интенсификация гидравлического сопротивления в канале (щд = 5,86), глубина

охлаждения 0 может достигать 12%.

Непосредственно на поверхности с сотовой структурой, в случае вдува охлаждаю-@ % щего воздуха через систему отверстий в ней, во

всех исследованных моделях наблюдались высокие значения глубины охлаждения (0 = 59...65%), возрастающие при увеличении относительной высоты канала Н и относительной глубины сотовой структуры И (рис. 10).

По результатам экспериментальных исследований гидравлического сопротивления Д при вдуве охлаждающего воздуха в сотовое уп-

0,% 12

0,5

1,0

Рис. 9. Зависимость величины глубины охлаждения & на противоположной гладкой поверхности от относительной глубины ячеек И при различных геометрических параметрах модели: 1 - Н = 1,0; 2 - Н = 0,5

65 60 55

1 Х-

- г"""

- 1—-■ ~ у 1У

0,5

1,0

Рис. 10. Зависимость величины глубины охлаждения & на поверхности с сотовой структурой от относительной глубины ячеек И при различных геометрических параметрах модели: 1 - Н = 1,0; 2 - Н = 0,5

лотнение установлено различное (в зависимости от геометрических параметров сотовой структуры и канала) изменение гидравлического сопротивления Х , общего расхода Gобщ

и расхода утечки Gут при увеличении коэффициента вдува т (рис. 11). Для модели с относительной глубиной сотовой структуры к = 1,0 при Н = 1,0, для которой при отсутствии вдува характерны сравнительно невысокие значения степени интенсификации гидравлического сопротивления = 3,83), при повышении коэффициента вдува т наблюдается наибольшее по сравнению с другими моделями увеличение гидравлического сопротивления в канале (кХ « 85% при т = 15%).

Снижение величины общего расхода Gобщ через сотовое уплотнение наблюдается

для всех моделей, кроме канала с к = 0,5 и Н = 0,5, 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 (к > 0,6): 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.

Таким образом, вдув охлаждающего воздуха через систему отверстий в пластине с сотовой структурой обеспечивает возможность интенсифицировать гидравлическое сопротивление в канале в конструкциях уплотни-тельных устройств с сотовой структурой с относительной глубиной, отличной от оптимальной (к = 0,4...0,6), повысить глубину охлаждения поверхностей канала. Экспериментальные исследования показали, что указанные эффекты зависят только от геометрических параметров модели и коэффициента вдува т.

Выводы:

1. 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.

2. Экспериментально доказаны эффекты интенсификации гидравлического сопротивления у/х и теплообмена у/а в канале сотового уплотнения, выявлено их возрастание

при уменьшении относительной высоты канала Н и достижение наибольших значений в интервале относительных высот сотовой структуры к = 0,4...0,6. Получены критериальные зависимости, отражающие влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в сотовом уплотнении.

3. Рассчитана энергетическая эффективность применения сотовой структуры в уплотнении. Выявлено, что отношение величин гидравлического сопротивления и теплообмена - 1)/(^а ~ 1) в исследованном диапазоне параметров всегда больше 1,0 и имеет минимальные значения 1,22.1,40 при к = 0,50...0,60 и Н = 0,5. Выполнено сопоставле-

3 ___гп_

о 10 20 зо т,%

Рис. 11. Зависимость общего расхода 0общ в канале с сотовой структурой от коэффициента вдува т: 1 - Н = 0,5;к = 0,5; 2 -Н = 0,5; к = 1,0; 3 - Н = 1,0;к = 0,5; 4 -Н = 1,0; к = 1,0

ние сотовой поверхности по энергетической эффективности с другими широко применяемыми в практике охлаждения элементов высокотемпературных газовых турбин способами интенсификации теплообмена.

4. Обнаружены эффекты интенсификации теплообмена на противоположной сото-

*

вой структуре поверхности, достигающие наибольших значений у/а = 2,0...2,5 при h = 0,4...0,6 и H = 0,5 и уменьшающиеся при увеличении относительной высоты канала H .

5. Экспериментально изучено влияние количества охлаждающего воздуха, подаваемого через сотовую поверхность, на гидравлическое сопротивление сотового уплотнения. При увеличении коэффициента вдува m, за исключением модели с h = 0,5 и H = 0,5, наблюдается повышение гидравлического сопротивления и снижение до 3% общего расхода через сотовое уплотнение, что при прочих равных условиях приведет к увеличению КПД ступени.

6. 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 60^800 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 // Förch. fur Schif. - 1953. - №1. - Р. 65-81.

Материал поступил в редколлегию 25.02.15.