Применение щеточных уплотнений в системе охлаждения дисков турбины для улучшения характеристик газотурбинного энергопривода Аи 2500

2Зиньковский А. П.; Рублевский Ю. В.; Иванов С. А.; Бандурко Е. А.; Занин А. Е.

УДК 62-762.6; 621.438; 539.433

2Зиньковский А.П,1 Рублевский Ю. В.,1 Иванов С. А., 1Бандурко Е. А.,

1Занин А. Е.

1ГП ЗМКБ «Прогресс» им. А.Г. Ивченко, Украина 2Институт проблем прочности им. Г.С.Писаренко НАН, Украина

ПРИМЕНЕНИЕ ЩЕТОЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИСКОВ ТУРБИНЫ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОТУРБИННОГО ЭНЕРГОПРИВОДА

АИ 2500

В настоящей работе представлены сравнительные характеристики исходного и модифицированного под щеточные уплотнения вариантов турбины энергопривода газотурбинной электростанции АИ 2500. Приведены результаты гидравлических расчетов и анализ температурного состояния исходной и модифицированной системы охлаждения турбины. Конструктивное решение узла выполнено на основании расчетов напряженно-деформированного состояния, а так же расчетов собственных частот и форм колебаний элементов конструкции.

Энергопривод, гидравлические расчеты, охлаждения турбины, уплотнение, собственные частоты, формы колебаний, напряженно-деформированное состояние, трехмерная циклосимметричная модель, узловые окружности, конечные элементы.

Введение и постановка задачи

Повышение эффективности современных авиационных и стационарных газотурбинных двигателей остается актуальной задачей в настоящее время. Одним из возможных путей улучшения характеристик ГДТ является уменьшение утечек вторичного воздуха, отбираемого в компрессоре для нужд турбины (охлаждение, создание перепадов давления в опорах, компенсация осевого усилия на подшипники). Снижение утечек достигается за счет совершенствования уплотнений. Самым распространенным видом уплотнений между роторными и статорными деталями являются лабиринты, величина утечек через которые зависит от многих факторов (величина радиального зазора, конструктивное исполнение, количество и геометрия гребешков, динамика перемещений ротора и статора, технология изготовления).

Ведущие мировые разработчики авиационных и стационарных газотурбинных двигателей затрачивают значительные усилия на разработку, испытания и внедрение более эффективных уплотнений, одним из которых является щеточное.

Имеется целый ряд научно-исследовательских работ по разработке и внедрению щеточных уплотнений.

1. Объекты исследования

Щеточные уплотнения представляют собой кольцевую щетку из металлических проволочек малого диаметра из сплавов на основе никеля, хрома, кобальта или неметаллических волокон.

Волокна располагаются под углом к поверхности ротора для уменьшения трения между волокнами уплотнения и роторной деталью.

В настоящей работе представлены сравнительные характеристики исходного и модифицированного под щеточные уплотнения варианта турбины энергопривода газотурбинной электростанции АИ 2500.

С целью снижения расхода и температуры воздуха, поступающего в полости турбины ГТЭ АИ 2500, было предложено дополнительно установить за дисками 1 и 2 ступеней турбины щеточные уплотнения. Задача заключалась в том, чтобы с минимальными переделками и при сохранении исходной конструкции обеспечить возможность установки в турбине ГТЭ АИ 2500 щеточных уплотнений. Эта задача была решена путем модернизации существующего лабиринтного уплотнения. Предложенная конструкция представляет собой сочетание двух различных типов уплотнений лабиринтного и щеточного. Щеточное уплотнение расположено снизу под

уплотнительным буртом диска, который был доработан под установку щеточного уплотнения. Во всех известных конструкциях применяется «стандартная» схема установки щеточного уплотнения (вал вращается внутри щетки).

В предложенной конструкции реализована принципиально новая схема установки щеточного уплотнения, щетка расположена внутри вала волокнами наружу.

Исходная конструкция представлена на рисунке 1, а конструкция со щеточными уплотнениями представлена на рисунке 2.

Рис. 2 Модифицированная система охлаждения дисков турбины

Для определения коэффициента расхода щеточного уплотнения использовались экспериментальные данные, полученные при продувках щеточных уплотнений на ГП «Ивченко-Прогресс» [1].

Результаты гидравлических расчетов (расходы и температуры воздуха через лабиринт и щеточное уплотнение) представлены в таблице 1. Были проведены расчеты температурного состояния исходных дисков турбины и дисков турбины, доработанных под постановку щеточных уплотнений, результаты которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Результаты гидравлических расчетов

Параметр Расход, % Температура воздуха, °С Д^ °С

Диск 1 ступени турбины Лабиринт 5,32 687 82

Щеточное уплотнение 1,6 605

Диск 2 ступени турбины Лабиринт 1,89 517 97

Щеточное уплотнение 0,65 420

Рис. 1 Исходная система охлаждения дисков турбин

Для получения величин расходов воздуха в системе охлаждения турбины были проведены гидравлические расчеты исходной и модифицированной системы охлаждения турбины.

Температурное состояние в деталях ротора определено методом конечных элементов на параметры взлетного режима Рк* = +15 °С, п = 12300 об/мин, Тк* = 563 К, Тг* = 1115 К.

Результаты исследований показали возможность применения щеточных уплотнений на ГТЭ АИ 2500 при ее модернизации.

2. Расчетные модели и результаты расчета НДС и собственных частот и форм колебаний колец уплотнений

Постановка щеточных уплотнений в системе охлаждения турбины дает возможность повысить параметры турбины (снижение утечек, понижение температуры дисков на 80...90°, снижение удельного расхода, повышение мощности на 2,5%).

Изменения в конструкции узлов уплотнений включают в себя не только изменения роторных деталей (дисков), но и изменение конструкции статорных колец уплотнений. Подобного рода модификация влечет за собой изменения спектра колебаний статорных колец уплотнений, что может повлечь за собой возникновение резонансных явлений или автоколебательных процессов.

С целью определения работоспособности модифицированной конструкции были проведены прочностные расчеты. В частности учитывалось как изменение напряженно-деформированного состояния деталей роторов турбины, так и изменение динамических характеристик узлов ротора.

Расчеты напряженно-деформированного состояния деталей роторов турбины выполнены в

упругой и упруго-пластичной области по регламенту прогрева ЗМГ-Взлет-ЗМГ. Наиболее неблагоприятный момент времени взлетного режима по температурному состоянию в деталях роторов находится, как правило, в начале взлета или близкий к моменту времени с максимальной разностью температур между ободной и ступичной частью дисков.

Расчетная схема включила диск первой ступени ротора, диск второй ступени ротора, диск третьей ступени ротора, дефлекторов первой и второй ступеней, вала ротора, двух колец лабиринтных (рисунок 3).

ных колец уплотнений, что может повлечь за собой возникновение резонансных явлений или автоколебательных процессов. Известно [2], что расчет спектра собственных частот и форм колебаний системы со строгой циклической симметрией сводится к рассмотрению ее периода с соответствующими граничными условиями, которые учитывают влияние соседних периодов. Вид периодов соответствующих колец уплотнений приведен на рисунке 5.

Рис. 3. Схема ротора для проведения расчетов МКЭ а,б — исходная конструкция дисков; в, г - доработанная конструкция дисков

Между ними заданы условия совместных перемещений в осевом и радиальном направлении на радиусе расположения болтов. На вале ротора со стороны задано нулевое осевое перемещение.

Центробежная сила от рабочих лопаток приложена в виде контурной нагрузки в ободной части дисков ротора, действующие на лопатки газовые силы приложены в виде осевой силы и момента сил на ободной части диска; также заданы значения давлений в тракте и полостях системы охлаждения ротора, полученные из гидродинамического и гидравлического расчетов.

Анализ результатов статических расчетов модифицированного и исходного роторов позволил подобрать величину радиуса доработки дисков первой и второй ступни ротора с минимальными последствиями для прочности дисков и уменьшения ресурса дисков.

Результаты расчетов, полученные на режиме прогрева ЗМГ-Взлет-ЗМГ для интересующего нас места, представлены на рисунке 4.

Для обеспечения надежной работы уплотнения был проведен ряд расчетов и определено конструктивное решение узла, основанное на расчетах собственных частот и форм колебаний методом конечных элементов. Изменения в конструкции узлов уплотнений включают в себя не только изменения роторных деталей (дисков), но и изменение конструкции статорных колец уплотнений. Подобного рода модификация влечет за собой изменения спектра колебаний статор-

Рис. 4. Напряжения в радиусе перехода, полученные на режиме прогрева ЗМГ-Взлет-ЗМГ

Рис. 5. Расчетные модели статорных колец первой (1) и второй(2) ступеней турбины

Периоды колец исследуемых уплотнений представляют собой сектора колец с углом 12°, который был выбран исходя из количества крепежных болтов колец. Это означает, что порядок симметрии рассматриваемых систем равен 30. Отброшенная часть была учтена приложением стандартных условий циклосимметрии.

Расчетная схема включала кольцо щеточных уплотнений, болты крепления и лабиринтное кольцо. Между ними заданы условия совместных перемещений в осевом и радиальном направлении по месту расположения болтов. На лабиринтном кольце в месте его крепления задано нулевое осевое перемещение. Сетка конечных

1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008

- 51 -

элементов статорного узла уплотнений первой ступени турбины состояла из 41673 узлов и 8436 элементов, второй ступени турбины состояла из 92092 узлов и 17904 элементов.

С использованием разработанных КЭ моделей колец уплотнений были проведены расчеты их спектров собственных колебаний в предположении строгой циклической симметрии. Для определения резонансных частот колебаний выбранных объектов исследования строились частотные диаграммы — зависимости собственных частот колебаний от числа оборотов с учетом влияния давлений в полостях, центробежных сил и температуры. Кроме того, определялись частотные функции колец исследуемых уплотнений.

На рисунке 6, приведены частотные функции и частотная диаграмма статорного кольца первой ступени, а на рисунке 7 — частотные функции и частотная диаграмма статорного кольца второй ступени, полученные для параметров взлет-

ного режима. Как видно, собственные частоты колебаний лежат выше частоты возбуждения колебаний, т.е. для данного уплотнения нет условий для возбуждения резонансных колебаний колец.

Рис. 6. Частотные функции и частотная диаграмма статорного кольца первой ступени

Рис. 7 Частотные функции и частотная диаграмма статорного кольца второй ступени

Анализ и расчеты собственных частот колебаний исследуемых колец уплотнений показали отсутствие резонанса между роторными гармониками и собственными частотами колебаний исследуемых колец уплотнений.

Заключение

Таким образом, проведенные расчеты показали работоспособность модифицированной системы охлаждения дисков турбины и целесообразность применения в ней щеточных уплотнений.

По результатам исследований выпущена конструкторская документация для проверки эффективности мероприятий и последующего внедрения в эксплуатацию.

Литература

1. Рублевский Ю.В., Бандурко Е.В., Иванов С.А. Экспериментальное исследование эффективности и работоспособности щеточных уплотнений из различных материалов. Вестник двигателестро-ения №2. 2004.- 103 с.

2. Иванов В.П. Колебания рабочих колес тур-бомашин. — М.: Машиностроение, 1983. — 224 с.

Поступила в редакцию 29.06.08

Рецензент: профессор Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», д.т.н. ОлейникА.В.

Удшснш po6omi представлено пор1внялъш характеристики euxidrnzo i модифкованого nid Miim^ei ущыънення eapiaHmie турбни енергоприводу газотурбтног електростанцП АП 2500. Приведено резулътати гiдpaвлiчнux розрахуншв i aнaлiз температурного стану вихХдноХ i модифшованог системи охолодження турбти. Конструктивне ршення вузла виконане на niдcmaвi poзpaxункiв напружено-деформованого стану, а також розрахуншв власних частот i форм коливанъ елеменmiв конструкцП.

In the present work comparative characteristics initial and modified under brush seal of a variant of the turbine gas turbine drive are submitted to power station AI 2500. Results of hydraulic calculations and the analysis of a temperature condition of the initial and modified system of cooling of the turbine are resulted. The constructive decision of unit is executed on the basis of calculations tensely - deformed conditions, and as calculations of own frequencies and forms of elements of a design.

ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 3/2008

- 53 -

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — 2зиньковский А. П., Рублевский Ю. В., Иванов С. А., Бандурко Е. А., Занин А. Е.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — 2зиньковский А. П., Рублевский Ю. В., Иванов С. А., Бандурко Е. А., Занин А. Е.