автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Совершенствование сотовых уплотнений осевых турбин

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Постановка задач исследований.

1.1. Анализ основных конструкций сотовых уплотнений и пути их совершенствования.

1.2. Исследования сотовых уплотнений и проблема их использования в турбомашинах.

1.3. Задачи исследований.

Глава 2. Методика эксперимента. Стенды и принципы измерений, обработки и обобщения опытных данных.

2.1. Обоснование выбора оптимальных размеров сотовых уплотнений.

2.2. Методика экспериментальных исследований.

2.2.1. Моделирование сотовых уплотнений.

2.2.2. Экспериментальные стенды, измерительные схемы и приборы.

2.2.3. Методика обработки экспериментальных данных.

Глава 3. Экспериментальные исследования сотовых уплотнений.

3.1. Исследования различных конструкций сотовых уплотнений на статических стендах.

3.1.1. Исследование пространственной структуры потока в ячейках сотового уплотнения.

3.1.2. Определение расходных характеристик каналов с сотовыми уплотнениями.

3.1.3. Исследования динамики потока в щелевидных сотовых каналах.

3.1.4. Сопоставление различных типов конструкций лабиринтных уплотнений.

3.2. Характеристики ступеней с использованием сотовых уплотнений для венца рабочих лопаток.

Глава 4. Рассмотрение методики оптимизации сотовых уплотнений и учета их влияния в радиальных зазорах на эффективность работы ступеней турбомашин.

4.1. Методика оптимизации сотовых уплотнений по геометрическим показателям конструкции.

4.2.Учет влияния протечек через радиальный зазор в направляющих аппаратах турбин.

4.3. Влияние изменения радиальных зазоров на потери энергии в безбандажных турбинных ступенях.

Глава 5. Разработка и внедрение оптимальных конструкций сотовых уплотнений в проточной части турбин газоперекачивающих агрегатов.

5.1. Пути модернизации проточной части турбины газоперекачивающего агрегата.

5.2. Экономический эффект для турбоагрегата при совершенствовании уплотнений сотового типа в его проточной части.

Одним из перспективных направлений для повышения экономичности и надежности работы турбин и компрессоров является сокращение потерь, связанных с утечками рабочего тела по различным зазорам между вращающимися и неподвижными деталями агрегатов.

В процессе эксплуатации вследствие силовых воздействий на статор и ротор, а также термических расширений их элементов на переходных режимах, зазоры в проточной части могут изменяться в широких пределах.

Проблема восстановления монтажных зазоров в процессе модернизации и капитального ремонта установок включает как расчетные методы определения гарантированных зазоров с учетом влияния динамических нагрузок, так и применение различных легкоистирающихся вставок между деталями ротора и статора.

Применение сотовых уплотнений позволяет достигать определенного эффекта за счет уменьшения утечек рабочего тела и повышения надежности работы конструкции при возможных задеваниях вращающихся частей ротора об элементы статора.

Однако положительный эффект может быть достигнут лишь при соблюдении оптимальных конструктивных параметров сотовой структуры с учетом технологических факторов в процессе ее изготовления и целевого применения сотовых уплотнений в паро- и газотурбинных установках и двигателях, без снижения их виброустойчивости.

Сотовые уплотнения, являясь разновидностью лабиринтных уплотнений, имеют тем не менее целый ряд существенных отличий и преимуществ, изучению которых и посвящается настоящая работа.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию конструкторскими бюро турбостроительных заводов и ремонтных организаций при проектировании новых и модернизации действующих турбоагрегатов.

Заключение

В результате проведенных автором исследований сотовых уплотнений турбомашин получено следующее:

1. Обоснована необходимость совершенствования конструкции уплотнений турбомашин и методики расчета течения в них в направлении минимизации утечек, повышения надежности эксплуатации, простоты изготовления и ремонта, безопасности элементов проточной части при задеваниях.

2. В результате комплексных исследований на статических и динамических стендах выявлена физическая сущность течения в сотовых уплотнениях, которая обуславливает необходимость уточнения и дальнейшего развития теории реального лабиринта с целью учета влияния многочисленных конструктивных и режимных факторов, влияющих на течение в каналах с сотовыми стенками. Предложена модель течения и ее организация в щеле-видных каналах, построенная на основании изучения структуры потока в ячейках и прилегающем канале с учетом взаимного влияния потоков.

3. Разработана методика оптимизации геометрических параметров сотовых уплотнений с целью минимизации утечки рабочей среды в уплотнениях турбомашин. Получены расчетные формулы для определения коэффициента гидродинамического сопротивления каналов с сотовыми стенками в широком диапазоне изменения геометрических параметров каналов с учетом физической картины течения.

4. Предложены пути повышения эффективности элементов проточной части турбины за счет применения сотовых уплотнений радиальных зазоров рабочих и направляющих лопаток. Обоснованы расчетные формулы по определению влияния величины радиальных зазоров на КПД турбинных ступеней с сотовыми уплотнениями. Дана оценка возможного повышения КПД турбины при установке сотовых уплотнений в процессе ремонта газотурбинных установок.

117

5. Проведены модельные и натурные испытания турбины высокого давления газоперекачивающего агрегата ГТ-750-6 с сотовыми уплотнениями на периферии проточной части над рабочими лопатками, что привело к уменьшению радиальных зазоров и, соответственно, утечки рабочего газа с восстановлением полезной мощности турбины.

6. Обосновано применение сотового уплотнения на торцах направляющих лопаток второй ступени ТВД агрегата ГТ-750-6, что позволит уменьшить радиальные зазоры на 2. 3 мм с возможным повышением КПД ступени до 4%.

1. Абианц В.Х. Теория авиационных газовых турбин. М.: Машиностроение, 1979.-245 с.

2. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М,-JL: Госэнергоиздат, 1948. - 288 с.

3. Афанасьева H.H., Павлюков В.Н. Влияние корневого радиального зазора в направляющем аппарате на характеристики турбинной ступени // Теплоэнергетика. 1992. - №6. - С. 29-32.

4. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / H.H. Афанасьева, В.Н. Бусурин, И.Г. Гоголев и др. Под общ. ред. В.А. Черникова Л.: Машиностроение, 1980. - 263 с.

5. A.c. 1254792 СССР, МКИ3 F 01 D 11/02, F 04 D 29/08, 1984.

6. A.c. 1749495 СССР, МКИ3 F 01 D 11/08, F 16 J 15/44, 1992.

7. A.c. 1313057 СССР, МКИ3 F 01 D 11/08, F 04 D 29/08, 1987.

8. A.c. 1228563 СССР, МКИ3 F 01 D 11/08, F 04 D 29/08, 1986.11 .Барский И.А. Влияние радиального зазора в сопловом аппарате на реактивность и КПД осевой турбины // Изв. вузов. Машиностроение. 1979. -№4. - С. 55-59.

9. Богомолов E.H. Расчет эффективности газовой завесы за перфорированным участком поверхности, омываемой турбулентным потоком // Изв. вузов. Энергетика. 1979. - №1. - С. 83-89.

10. Бондаренко Г.А., Пшик В.Р. Экспериментальное исследование виброактивности уплотнений валов турбомашин // Энергомашиностроение. 1982. -№4. - С. 5-8.

11. Бондаренко Г.А., Хижняк JI.A. Экспериментальное исследование сотового уплотнения // Химическое и нефтяное машиностроение. 1978. - №9. - С. 9-10.

12. Бондаренко Г.А., Чернов В.Ю. Разработка и исследования сотовых уплотнений валов центробежных компрессоров // Экспресс-информация. Сер. ХМ-5. 1978. -№7. - С. 1-15.

13. Буглаев В.Т. и др. Применение сотового уплотнения для организации охлаждения элементов проточной части газовых турбин // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 1995. - №5. - С. 52-56.

14. Буглаев В.Т., Климцов A.A., Перевезенцев В.Т., Герке В.Г. О физической сущности течения рабочей среды в камерах лабиринтных уплотнений тур-боустановок // Ядерная энергетика. 1996. - №2. - С. 52-55.

15. Бузник В.М. Интенсификация теплообмена в судовых установках. Д.: Судостроение, 1969. - 364 с.

16. Внедрение сотовых уплотнений в проточной части ТВД ГТ-750-6: Отчет о НИР №2466/1125 / Брян. гос. техн. ун-т; Руководитель В.Т. Буглаев. -Брянск; 1999. 89 с. - Исполнители A.A. Климцов, В.Т. Перевезенцев, C.B. Перевезенцев.

17. Волков М.М., Михеев A.M., Конев К.А. Справочник работника газовой промышленности. 2-е изд. -М. Недра, 1989. - 286 с.

18. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В., Федотов И.А. Теплоотдача и трение на поверхности со сферическими выемками // Изв. вузов. Авиационная техника. 1996. - №3. - С. 16-21.

19. ГОСТ 8.563.1-97 Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Межгосударственный стандарт. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - Минск. - 1997. - 62 с.

20. ГОСТ 8.563.2-97 Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Межгосударственный стандарт. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. - Минск. - 1997. - 86 с.

21. Гукасова Е.А., Михайлова В.А., Тырышкин В.Г. Особенности процесса обтекания концевых частей необандаженных лопаток и их влияние на КПД турбинной ступени // Теплоэнергетика. 1970. - №4. - С. 34-37.

22. Дейч М.Е., Самойлович Г.С. Основы аэродинамики осевых турбомашин. -М.: Машгиз, 1959.-428 с.

23. Дейч М.Е., Трояновский Б.М. Исследование и расчет ступеней осевых турбин. М.: Машиностроение, 1964. - 628 с.

24. Жаркой М.С. Повышение экономичности турбоагрегатов электростанций за счёт оптимизации типовых и применения новых конструкций лабиринтовых уплотнений. Дис. канд. техн. наук. - Алма-Ата. - 1986. - 221 с.

25. Иванов В.А., Жаркой М.С. К расчету протечек в лабиринтовых уплотнениях при переходных режимах работы турбомашин // Изв. вузов. Энергетика. 1985. - №10. - С. 81-84.

26. Киржнер P.A., Мамаев Б.И. Минимально допустимый радиальный зазор в турбине ГТД // Изв. вузов. Авиационная техника. 1989. - №3. - С. 52-56.

27. Кириллов А.И. Методы аэродинамического совершенствования ступеней мощных тепловых турбин. Дис. док. техн. наук. - JL, 1980. - 449 с.

28. Кириллов И.И. Газовые турбины и газотурбинные установки. Т.1 М.: Машгиз, 1956. - 434 с.

29. Кириллов И.И. Теория турбомашин. JI.: Машиностроение, 1972. - 535 с.

30. Кириллов И.И., Климцов A.A. Потери энергии в турбинных ступенях с бандажом и без бандажа. Теплоэнергетика. - 1963. - №2. - С. 20-25.

31. Кириллов И.И., Лапшин K.JL, Гаев В.Д. О влиянии протечек через открытый корневой зазор на потери энергии в турбинной ступени // Изв. вузов. Энергетика. 1984. - №7. - С. 90-93.

32. Климцов A.A., Захаренко В.А., Цибин А.Г. Испытание турбинной ступенис сотовым радиальным уплотнением // Изв. вузов. Энергетика. 1987. 3. С. 95-98.

33. Климцов A.A., Перевезенцев В.Т., Зимин Е.С. Испытание бандажной ступени с радиальными уплотнениями различной конструкции // Изв. вузов. Машиностроение. 1990. - №8. - С. 61-63.

34. Козаченко А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов. М.: Нефть и газ, 1999. - 463 с.

35. Коспок А.Г. Анализ нестационарного течения в лабиринтных уплотнениях турбомашин // Теплоэнергетика. 1986. -№12. - С. 31-36.

36. Кузнецов Л.А., Кринский А. А., Кореневский JI. Г. Температурное состояние ротора и корпуса газовой турбины ГТ-750-6 // Энергомашиностроение. 1967.-№12.-С. 15-18.

37. Кузнецов JI.A., Богорадовский Г.И., Кринский A.A., Кузнецов A.JL, Маль-цуров И. И. Основные результаты испытаний опытно-промышленного образца газотурбинной установки ГТ-750-6 H3JI // Энергомашиностроение, 1965. -№5. С.1-7.

38. Кутателадзе С.С., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А. Моделирование теплоэнергетического оборудования. М.-Л.: Энергия, 1966. - 351 с.

39. Левкеева Н.В. О взаимном влиянии местных сопротивлений // Изв. вузов. Авиационная техника. 1959. -№3. - С. 143-145.

40. Локай В.И. и др. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1979. 447 с.

41. Назмеев Ю.Г., Олимпиев В.В., Конахин A.M., Кумиров Б.А., Шинкевич О.П. Резонансное возмущение потока в каналах с дискретными выступами // Изв. вузов. Авиационная техника. 1994. - №1. - С. 79-82.

42. Никишин В.И. Энергосберегающие технологии в трубопроводном транспорте природных газов. М.: Нефть и газ, 1998. - 352 с.

43. Олимпиев В.В., Абдрахманов А.Р., Алексеева О.В. Модель течения и расчет теплообмена и трения в канавках, обтекаемых турбулентным потоком // Труды второй Российской конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.6. М.: Издательство МЭИ. 1998. - С.175-177.

44. Орлик В.Г. Исследование лабиринтного уплотнения // Энергомашиностроение. 1980. - №10 - С.17-21.

45. Орлик В.Г. Расходные характеристики уплотнений с одиночным и групповым дросселем // Тяжелое машиностроение. 1993. - №9. - С. 4-7.

46. Орлик В.Г. Расцентровка разъемных деталей под влиянием радиального градиента температур // Энергомашиностроение. 1989. - №10. - С.33-35.

47. Орлик В.Г. Уточненная теория и расчет лабиринтных уплотнений турбо-машин // Энергомашиностроение. 1977. - №9. - С. 10-12.

48. Орлик В.Г., Резник Л.Б. Новый тип лабиринтовых уплотнений для турбо-машин // Энергомашиностроение. 1978. - №5. - С. 5-8.

49. Пат. 2039872 России МХИ3 F 01D11/08, 1995.

50. Пат. 2180668 США, МКИ3 1615/28, 1615/40, 1980.

51. Пат. 4162077 США, МКИ3 F16J15/44, 1979.

52. Пат. 4218066 США, МКИ3 F16J 015/44, 1980.

53. Пат. 4623298 США, МКИ3 F01D 011/02, 1986.

54. Пат. 4897021 США, МКИ3 F01D 005/02, 1990.

55. Пат. 5037114 США, МКИ3 F16J 015/447, 1991.

56. Пат. 5161942 США, МКИ3 F01D 025/32, 1992.

57. Пат. 6171052 США, МКИ3 F02C 007/18, 2001.

58. Пат. 2103007 Франции, МКИ3 01Д5/00, 1972.

59. Перельман Р.Г., Нестеренко В.Г., Любатуров A.M. Исследование газодинамической эффективности лабиринтных уплотнений ГТД с профильной стенкой статора // Изв. вузов. Авиационная техника. 1983. - №1. - С. 105108.

60. Пивоваров В.А. Авиационный двигатель ПС-90А (особенности конструкции, работа и эксплуатация). М.: МГА, 1989. - 91с.71 .Программа расчета технического состояния ГПА с двухвальной ГТУ. РАО «Газпром», П «Мострансгаз», 1998. 39 с.

61. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. - 288 с.

62. Речкоблит А.Я. Исследование эффективности применения сотовых уплотнений радиального зазора в газовых турбинах // Технический отчет №6103. -ЦИАМ,- 1968.-56 с.

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

64. Речкоблит А .Я., Авдеенко О.В. Исследование влияния размеров сотовых ячеек на эффективность уплотнительных устройств с различными вращающимися элементами // Тр. ЦИАМ №1156. 1985. - 11 с.

65. Речкоблит А.Я., Измайлов Ш.А., Пьяных JI.A., Авдеенко О.В. Исследование структуры течений в безбандажной турбинной рабочей решетке на модели с движущейся ограничивающей поверхностью // Технический отчет №10032. ЦИАМ. - 1983. - 40 с.

66. Розенберг С.Ш., Хоменюк Л.А., Мороз О.И. и др. Оценка погрешности при определении КПД проточной части турбины // Теплоэнергетика. -1981.-№2,-С. 59-61.

67. РТМ 24.020.33-75. Турбины паровые и газовые стационарные, компрессоры. Лабиринтовые уплотнения. Выбор типа и расчет протечек. М.: Изд. официальное. - 1975. - 34 с.

68. Самойлович Г.С. Новые формулы для расчета лабиринтового уплотнения // Известия ВТИ. 1950 - №9. - С. 22-23.

69. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели: конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981. - 549 с.

70. Совершенствование гидродинамических показателей энергоустановок: Монография / Под ред. В.Т. Буглаева. Брянск: БИТМ, 1995. - 226 с.

71. Топунов A.M. Теория судовых турбин. Л.: Судостроение. 1985. 472 с.

72. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева A.A. Теплотехнические испытания котельных агрегатов. М.: Энергия, 1977. - 296 с.

73. Тырышкин В.Г., Ширков Б.А. Влияние утечек через радиальные зазоры между ротором и направляющим аппаратом на КПД турбинной ступени // Энергомашиностроение. 1962. - №12. - С. 26-29.

74. Уплотнения и уплотнительная техника: Справ. / Под общ. ред. А.И. Голу-бева, Л.А. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. - 463 с.

75. Файнзильберг Э.М. Теория лабиринтовых уплотнений с неполным гашением скорости: Доклады АН СССР, 1950, т. 75, №4, с. 531-533.

76. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Физматгиз, 1974. - 711 с.

77. J.A. Demko, G.L. Morrison, D.L. Rhode. The Prediction and Measurement of Incompressible Flow in a Labyrinth Seal (Расчет и измерение несжимаемого течения в лабиринтном уплотнении) // Transactions of the ASME. 1990. -Ser.A. - №4. - p.88-95.

78. Egli A. The Leakage of steam through Labyrinth Seals. Transactions of ASME. - 1935,-v. 57. - №3. - p. 115-122.

79. Friedrich H. Untersuchungen über das Verhalen der Schaufel spaltdichtungen in Gedenlauf - Dampfturbinen. - Mitt, forech. Abst. G.H.H., Oct., 1933, S. 513517.

80. M. Gad-el-Hak Visualization Techniques for Unsteady Flows: An Overview (Методы визуализации нестационарных течений: обзор) // Transactions of the ASME. 1989. - Ser.A. -№5. -p. 164-179.

81. Gercke M.J. Berechnung der Ausflussmengen von Labyrinth-dichtungen. Die Warme, 1934, 57 J., n. 32, S. 513-517.

82. J. Moore, J.S. Tilton Tip Leakage Flow in a Linear Turbine Cascade (Утечка у концов лопаток в прямой турбинной решетке) // Transactions of the ASME. -1989,- Ser.A. -№1.-p.22-32.

83. Jerie J. Flow through straight-thorough labyrinth seals. Proceedings of the seventh international congress for applied mechanics, Vol.2, Part I, 1943, p. 7082.

84. Komotori K. A consideration on the Labyrinth Packing of Straight-Through Type. Trans. J.S.M.E., 1957, Vol.23, n. 133, p. 617-623.

85. Martin P. Beitrag zur Durchflu3berechnung von Spaltdichtungon. Warme, 1971, В. 77, H.S., S. 111-124.

86. Matile С., Strub R.A. Centrifugal Hypercompressors for Ethylene. Sulzer Technical Review. - 1975. - v.57. - №1 - p.17-36.126

87. Meyer C.A., Lowrie J.A. The leakage Thru Straight and Slant labirinths and Honeycomb Seals. Transactions of the ASME. - 1975. - v.97. - Ser.A. - №4. - p.34-41.

88. Nelson C.C. Analysis for Leakage and Rotordynamic Coefficients of Surface-Roughened Tapered Annular Gas Seals. Honeycomb Seals. Transactions of the ASME. - 1984. - v.106. - Ser.A. - №4. - p.158-165.

89. Schiller W. Überkritische Entspannung kompressibler Flüssigkeiten. -Forschung auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, 1933, S. 128-132.

90. Stodola A. Die Dampfturbinen. Berlin: Verlag von J. Springer, 1905 - S. 754.

91. T.W. Ha, G.L. Morrison, D.W. Childs. Friction-Factor Characteristics for Narrow Channels With Honeycomb Surfaces. Transactions of the ASME. -October 1992.127