Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Совершенствование уплотнений в проточной части турбомашин 9
1.1. Способы снижения потерь энергии от протечек рабочего тела через уплотнения в проточной части 9
1.2. Процессы теплообмена в различных типах уплотнений проточной части ГТД 26
1.3. Задачи исследований 37
Глава 2. Экспериментальное оборудование, методика проведения эксперимента и обработки опытных данных, оценка погрешности измерений 38
2.1. Описание экспериментальной установки 39
2.1.1. Экспериментальный стенд для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена 39
2.1.2. Экспериментальный стенд для исследования влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения 42
2.2. Система измерений 44
2.3. Методики проведения эксперимента 45
2.3.1. Методика проведения экспериментальных исследований гидравлического сопротивления и теплообмена 45
2.3.2. Методика проведения экспериментальных исследований влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения поверхностей канала уплотнения... 47
2.4. Экспериментальные модели для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в канале с сотовой структурой 48
2.5. Методики обработки экспериментальных данных 51
2.5.1. Методика обработки экспериментальных данных при исследовании гидравлического сопротивления и теплообмена 51
2.5.2. Методика обработки экспериментальных данных при исследовании влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения 57
2.6. Оценка погрешности при проведении экспериментальных исследований 58
2.7. Апробация применяемой методики и экспериментального оборудования 61
Глава 3. Гидравлическое сопротивление и теплообмен в каналах с сотовой структурой 64
3.1. Зависимость гидравлического сопротивления в канале с сотовой структурой от режима течения 65
3.2. Влияние геометрических параметров сотовой структуры и канала на уровень интенсификации гидравлического сопротивления 69
3.2.1. Влияние относительной глубины сотовой структуры на гидродинамическое сопротивление в канале 70
3.2.2. Влияние относительной высоты канала 72
3.3. Закон гидравлического сопротивления в канале с сотовой структурой на одной из поверхностей 73
3.4. Влияние режима течения на теплообмен в канале с сотовой структурой 75
3.5. Влияние геометрических параметров сотовой структуры на уровень интенсификации теплообмена в канале уплотнения 77
3.5.1 Влияние относительной глубины сотовой структуры 78
3.5.2 Влияние относительной высоты канала с сотовой структурой 79
3.6. Взаимное влияние противоположных поверхностей канала с сотовой структурой 81
3.7. Закон теплообмена в канале с сотовой структурой на одной из поверхностей 83
3.8. Эффекты интенсификации теплообмена и гидравлического сопротивления в канале с сотовой структурой 84
3.9. Энергетическая эффективность интенсификации теплообмена при помощи сотовой структуры применительно к уплотнениям газовых турбин 87
3.10. Сопоставление эффективности интенсификации теплоотдачи в канале с сотовой структурой с эффективностью других способов интенсификации теплоотдачи 91
3.11. Экспериментальное исследование влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения поверхностей 97
Глава 4. Практическая реализация результатов экспериментального исследования 107
Заключение 116
Список сокращений и условных обозначений 118
Список использованных источников
- Процессы теплообмена в различных типах уплотнений проточной части ГТД
- Экспериментальный стенд для исследования влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения
- Влияние геометрических параметров сотовой структуры и канала на уровень интенсификации гидравлического сопротивления
- Влияние геометрических параметров сотовой структуры на уровень интенсификации теплообмена в канале уплотнения
Введение к работе
Актуальность работы
Утечки рабочего тела через радиальные зазоры в проточной части (ПЧ) оказывают первостепенное влияние на КПД газовых турбин (ГТ).
Одним из перспективных направлений развития турбостроения является повышение экономичности и надежности работы газотурбинной установки за счет сокращения потерь энергии, связанных с утечками рабочего тела через различные зазоры между неподвижными и вращающимися деталями агрегата, а также обеспечения необходимого температурного режима элементов ПЧ.
В процессе эксплуатации ГТ вследствие нерасчетных силовых воздействий на ротор и статор, термических расширений элементов ПЧ, а также износа, радиальные зазоры могут изменяться в значительных пределах. В авиадвигателестроении и последних конструкциях стационарных турбин в уплотнениях широко применяют сотовую поверхность.
Использование сотовых уплотнений (СУ) в турбоустановках позволяет достичь определенного положительного эффекта за счет снижения утечек рабочего тела и повышения надежности работы уплотнения в случае касания элементов ротора и статора. Наилучший эффект может быть достигнут лишь при соблюдении оптимальных конструктивных параметров сотовой структуры (СС) и уплотнения в целом.
Сотовая поверхность также может быть использована для подачи в СУ охлаждающего воздуха (ОВ) с целью охлаждения его элементов и периферийной части рабочих лопаток. При этом существенное влияние на гидравлические характеристики уплотнения и эффективность охлаждения его поверхностей оказывают режим течения и конструктивные параметры СС. Поэтому исследование гидравлического сопротивления и теплообмена в СУ, а также эффективности охлаждения поверхностей канала уплотнения в случае подачи ОВ является актуальной задачей и представляет практический интерес.
Степень разработанности темы
Проблемам совершенствования уплотнений турбомашин, а также вопросам
охлаждения элементов проточной части, посвящены труды авторов
А.В. Щегляева, В.Г. Орлика, Е.Н. Богомолова, В.Д. Венедиктова, В.Т. Буглаева, А.Я. Речкоблита. Существенный вклад внесли зарубежные ученые H.L. Stocker, T.W. Ha, V. Schramm и др.
Работы указанных авторов содержат фундаментальные основы физической сущности течения газа в уплотнениях, варианты организации охлаждения, а также экспериментальные данные по исследованию эффективности ступеней с СУ, что в значительной мере способствовало пониманию характера протекания теплогид-равлических процессов в ступенях турбин.
Однако в этих трудах в недостаточной мере рассмотрены вопросы взаимодействия течений, их влияния на гидравлическое сопротивление и теплообменные процессы в уплотнениях.
В то же время, в литературе имеется ограниченное количество работ, посвященных сотовым уплотнениям, имеющим определенный потенциал совершенствования ступеней турбомашин.
Объектами исследования являются:
– прямоточное СУ;
– прямоточное СУ с системой подачи ОВ через сотовую поверхность.
Цель работы:
– Исследование влияния режимных и геометрических параметров на утечки и теплообмен в сотовом уплотнении радиального зазора турбинной ступени.
– Обеспечение охлаждения периферийной части рабочих лопаток и уплотнения.
Задачи исследования:
-
Создание экспериментального стенда с комплексом измерительных средств. Разработка методики исследований и обработки опытных данных.
-
Получение экспериментальных данных по гидравлическому сопротивлению и теплообмену в СУ с различными геометрическими параметрами.
-
Оценка энергетической эффективности применения СС на поверхности СУ.
-
Анализ влияния вдува ОВ и геометрических параметров СУ на гидравлическое сопротивление.
-
Оценка эффективности охлаждения поверхностей СУ охлаждающим воздухом, вдуваемым через СС.
-
Разработка практических рекомендаций по модернизации конструкций СУ ГТ.
Методы исследования
Решение поставленных задач основывалось на расчетно-теоретическом анализе и экспериментальных исследованиях теплогидравлических параметров тече-4
ния в СУ, использовании математического моделирования и теории подобия.
Достоверность полученных результатов подтверждается отработкой методики экспериментальных исследований, оценкой погрешностей результатов, проведением предварительных опытов и удовлетворительным согласованием полученных данных с результатами других авторов.
Научная новизна
-
Экспериментально изучено влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в СУ, получены критериальные зависимости.
-
Определена энергетическая эффективность применения СС на одной из поверхностей СУ.
-
Обнаружен эффект интенсификации теплоотдачи на гладкой стенке канала СУ, расположенной напротив поверхности с СС, величина которого зависит от геометрических характеристик СУ.
-
Изучено влияние коэффициента вдува m ОВ на гидравлическое сопротивление в СУ и глубину охлаждения его поверхностей.
-
Изучено влияние геометрических параметров СУ на гидравлическое сопротивление и глубину охлаждения его поверхностей в случае организации вдува ОВ через сотовую поверхность.
Теоретическая и практическая значимость
-
Разработана, создана и оснащена измерительной системой материально-техническая база для исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в СУ, как с подачей ОВ, так и без него.
-
Получены критериальные зависимости, отражающие влияние режимных и геометрических параметров на гидравлическое сопротивление и теплообмен в СУ.
-
Показана целесообразность применения СУ для уменьшения утечки рабочего тела через периферийное уплотнение рабочего колеса и повышения КПД турбинной ступени.
-
Даны рекомендации по модернизации СУ в ПЧ турбоагрегата ГТК-10-4.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих газотурбинных двигателей.
Личный вклад автора состоит в разработке и выполнении программы исследований, создании экспериментального стенда и опытных моделей, проведении опытов, обработке, обобщении и анализе полученных данных.
Положения, выносимые на защиту:
– результаты экспериментальных исследований тепловых и гидравлических характеристик СУ и полученные в результате обработки опытных данных критериальные соотношения для описания закономерностей процессов течения и теплообмена;
– результаты экспериментальных исследований энергетической эффективности применения СС на поверхности канала СУ;
– результаты экспериментальных исследований влияния коэффициента вдува m ОВ, подаваемого через поверхность с СС, на гидравлическое сопротивление СУ и эффективность охлаждения его поверхностей;
– результаты экспериментальных исследований влияния геометрических параметров СУ на эффективность охлаждения его поверхностей в случае организации вдува ОВ через сотовую поверхность.
– разработанные рекомендации по модернизации СУ в ПЧ турбоагрегата ГТК-10-4.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
-
Региональная конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск, БГТУ, 11-13 октября 2010 г.
-
ХVIII Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», Звенигород, 23-27 мая 2011 г.
-
III Международная научно-практическая конференция «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск, БГТУ, 10-12 октября 2011 г.
-
Международная молодежная научная конференция «ХХХIХ Гагаринские чтения», Москва, 2013 г.
5. Научно-технический семинар кафедры «Турбины, гидромашины и авиа
ционные двигатели» ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» (С.-Петербург, 2013).
Публикации. По результатам диссертационной работы были опубликованы тезисы докладов на различных конференциях, а также пять публикаций в изданиях из перечня ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 127 страницах текста и содержит 67 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 84 наименований.
Процессы теплообмена в различных типах уплотнений проточной части ГТД
Одним из наиболее эффективных методов повышения КПД современной ГТУ является увеличение начальной температуры газа. Препятствует этому сложность выбора конструкционных материалов, способных надежно и продолжительно работать при предельных начальных температурах газа.
Один из путей, позволяющий в определенной степени преодолеть это затруднение, – использование различных способов принудительного охлаждения наиболее теплонапряженных элементов ПЧ турбин. Таковыми являются обечайки, направляющие и рабочие лопатки (особенно их тонкие кромки и бандажные полки рабочих лопаток), обоймы, элементы уплотнений. Большая часть этих элементов расположены на периферии ПЧ.
Наиболее эффективно конвективно-пленочное охлаждение, однако возрастание потерь, свойственных данным типам охлаждения и связанных с увеличенным расходом теплоносителя, ограничивает область его применения. Распространенным и эффективным способом охлаждения периферийных элементов ПЧ турбоустановок, как показали исследования большого числа схем охлаждения, является способ воздушного завесного охлаждения.
Для принятия эффективных мер по обеспечению допустимых тепловых нагрузок элементов ПЧ высокотемпературных ГТД требуется глубокое изучение физического процесса теплообмена газа и этих элементов. Исследования в этом направлении ведутся длительное время многими отечественными и зарубежными исследователями, предлагаются различные пути решения проблемы.
В работе [30] представлены результаты исследований теплообмена в лабиринтных уплотнениях, проведенных авторами на статических моделях ступенчатого уплотнения ЦВД турбины К-300-240 ЛМЗ. Траверсирование потока в прямоточном уплотнении показывает, что в камерах между гребнями вследствие возвратного вихревого течения распределение температуры вне пограничного слоя достаточно равномерное. Иначе говоря, по длине уплотнения изменение температуры является кусочно-постоянным.
В работе указывается на отсутствие влияния геометрической характеристики /h на число Нуссельта для условий развитого турбулентного течения. Выявлено, что основное влияние на коэффициент теплоотдачи оказывает критерий Re0,8, как и для пластины в неограниченном потоке. Значительно меньшее влияние оказывает шаг между гребнями, при этом его увеличение снижает коэффициент теплоотдачи. Это можно объяснить большим гашением скорости потока в более длинной камере, т.е. снижением турбулизации потока.
Отмечается, что для ступенчатого уплотнения, в отличие от прямоточного, наблюдается возрастание числа Нуссельта по мере увеличения относительного зазора. При этом показатель степени при числе Рейнольдса для турбулентного режима течения обладает более низкой величиной. В работе этот факт объясняется влиянием вихрей, обтекающих в ступенчатом уплотнении кормовую и лобовую поверхности выступов, а также часть поверхности между выступами. Отмечено, что при значениях характеристики 8/ h 0,17 число Нус-сельта оказывается автомодельным по отношению к этому параметру.
В результате исследований теплообмена в лабиринтных уплотнениях [38] установлено, что средняя величина теплоотдачи для осевых поверхностей каждой ячейки уплотнения в подавляющем большинстве случаев постоянна. Это утверждение справедливо для различных конструкций лабиринтных уплотнений.
Данные работы дают возможность проанализировать теплообмен в классических лабиринтных уплотнениях. В них устанавливается связь между теплоотдачей и геометрическими характеристиками уплотнения, однако отсутствуют конкретные предложения по решению проблем соблюдения допустимого теплового режима и уменьшения возникающих термических напряжений.
Актуальность приведенных выше работ становится понятной из [47], где наглядно показаны величины возможных тепловых деформаций корпусов турбин, дан вариант расчета таких деформаций.
Многие работы, например [3-6,21,27,28,31,43,44], посвящены изучению смерчевого способа интенсификации теплообмена на поверхности с луночным рельефом. Работы представляют интерес в связи с наличием некоторого подобия аэродинамических процессов течения потока вблизи поверхности с лунками и СС, применяемой в конструкциях уплотнений ряда авиационных и наземных ГТД.
Информация об упорядоченной системе сферических углублений на обтекаемых поверхностях как о новом способе интенсификации теплообмен-ных процессов впервые появилась в 80-х годах из Института атомной энергии (ИАЭ) им. И.В. Курчатова от коллектива исследователей, возглавляемого Г. И. Кикнадзе. Этим коллективом были изучены особенности обтекания жидкостями одиночных сферических углублений и регулярных рельефов из них, нанесенных на исходно гладкую поверхность изотермических или нагреваемых тел [31,32]. Исследования гидродинамической структуры потока прямыми измерениями и визуализацией (как над одиночными лунками, так и над их упорядоченной системой) обнаружили самоорганизующиеся динамические структуры, истекающие из лунок поперек потока в виде струй столбообразной смерчевой формы с продольным размером, существенно превосходящим поперечный. Струи осуществляют интенсивное всасывание и вынос в ядро потока среды из лунки и тонкого пристенного слоя на поверхности, окружающей лунку. Показано, что линейные размеры этого ареала заметно превосходят диаметр лунки [31].
Рисунок 1.18. Геометрические параметры пластин с одним и шестью поперечными рядами лунок
Опытные исследования гидравлического сопротивления и теплообмена в щелевом канале с системами лунок на одной из его широких стенок были выполнены сотрудниками НКИ и ЛПИ [6,7]. Опыты проводились на специальном воздушном стенде. Модельный канал имел прямоугольное поперечное сечение с отношением сторон хя=(844)10-3 м, а его общая длина составляла L=0,4 м. В опытах были задействованы 2 теплообменные поверхности - с 1 и 6 поперечными рядами лунок, причем ось первого ряда лунок в обоих случаях располагалась на расстоянии L=0,14 м от начала пластины (входа в канал или начала обогрева). Диаметр, радиус сферической поверхности и поперечный шаг расположения лунок в обоих случаях были одинаковыми.
Экспериментальный стенд для исследования влияния подачи охлаждающего воздуха на гидравлическое сопротивление и эффективность охлаждения
В ходе экспериментальных исследований гидравлического сопротивления и теплообмена в СУ измерялись следующие величины: массовый расход воздуха, температура воздуха на входе и выходе из рабочего участка, температура рабочих поверхностей пластин с СС, давление на входе в канал и перепад давления по длине канала, а также сила тока и напряжение на электронагревателе.
При исследовании влияния вдува ОВ измерялись массовые расходы и температуры потока утечки и вдуваемого теплоносителя, температуры поверхностей канала с СС, давление на входе в канал и перепад давления по его длине.
Массовый расход рабочего тела измерялся в интервале 0,007…0,08 кг/с при помощи трех стандартных диафрагм (d=18; 32; 37 мм), каждая из которых применялась в определенном интервале скоростей. Для измерения перепада давления на диафрагме использовались чашечный микроманометр 15 типа ММН-250 (класс 0,6) или U-образный водяной дифманометр 16 – в зависимости от величины измеряемого перепада (рисунок 2.1). Расход рабочего тела через рабочий участок регулировался с помощью установленного в ресивере 12 перепускного вентиля 14, обеспечивающего перепуск воздуха из атмосферы.
Необходимая точность определения величины расхода воздуха в широком диапазоне измерений обеспечивалась строгим соблюдением нормативов при изготовлении и поверке соответствующих измерительных устройств.
Температура потока воздуха на входе в рабочий участок измерялась лабораторным ртутным термометром ТЛ-4 1 с ценой деления 0,1С, температура за рабочим участком – медным термометром сопротивления 50М 7. Сопротивление термометра измерялось мостом постоянного тока МО-62 (класс 0,1) с наружным гальванометром М-195/3 8. Также температура на выходе дополнительно контролировалась лабораторным ртутным термометром ТЛ-4 9 с ценой деления 0,1С. Температура поверхности теплообмена (основания пластин с СС) измерялась хромель-копелевыми термопарами 5, установленными посередине опытного образца на всем его протяжении. Величины тер-моЭДС термопар измерялись компенсационным методом на потенциометре ПП-63 (класс 0,05) 20, подключенном к блоку двухполюсных переключателей 19. Термопары предварительно тарировались в воздушном термостате по эталонному лабораторному ртутному термометру с ценой деления 0,1С.
Гидравлическое сопротивление в исследуемом канале с СС измерялось как разность статических давлений до и после рабочего участка. Пластины с СС, формирующие рабочий канал, препарировались отборами статического давления p потока в двух фронтальных сечениях канала: на расстоянии 20-10" м до начала контрольного участка длиной L=0,17 м (pвх) 2 и на выходе из него на расстоянии 20-10" м (pвых) 6. В каждом сечении устанавливалось шесть отборов статического давления - по три на каждой противоположной стороне. Для измерения перепада давления на рабочем участке использовались чашечный микроманометр 15 типа ММН-250 (класс 0,6) или U-образный водяной дифманометр 16 - в зависимости от величины измеряемого перепада.
Экспериментальные исследования гидравлического сопротивления и теплообмена при вынужденной конвекции газа в прямоугольном канале с СС проводятся следующим образом:
1. Осуществляется запуск вентилятора низкого давления 13 (рисунок 2.1); воздух, всасываемый из атмосферы, проходит участок стабилизации экспериментальной установки, попадает в рабочий участок 3 (канал с СС), затем поступает на расходомерное устройство (диафрагму) 11. Расход рабочего тела через экспериментальный участок регулируется с помощью перепускного вентиля 14, обеспечивающего перепуск воздуха из атмосферы.
2. После того как в рабочем участке установлена необходимая скорость потока, включается электрическая система нагрева опытных образцов. Напряжение, подаваемое на нагревательный элемент, регулируется лабораторным автотрансформатором 23. Значения напряжения и силы тока фиксируются по показаниям вольтметра 21 и амперметра 22. Температура опытных образцов контролируется по показаниям потенциометра 20 и по графической зависимости температуры от величины термоЭДС. Выход установки на стационарный режим контролируется по стабилизации показаний потенциометра 20 и гальванометра 8.
3. После установления стационарного режима измеряется расход воздуха через расходомерное устройство 11, а также перепад давления на рабочем участке при помощи водяных дифманометров 16 или микроманометров 15 (в зависимости от величины измеряемого перепада).
4. Проводится последовательный опрос всех включенных в систему термопар 5 при помощи блока двухполюсных переключателей 19.
5. После проведения всех необходимых измерений экспериментальная установка выводится на следующий режим. С помощью перепускного вентиля 14 регулируется расход воздуха через рабочий участок, и далее повторяются последовательно пункты 2…4.
Выключение стенда выполняется в следующем порядке: напряжение в системе электрического нагрева опытных образцов плавно уменьшается до минимума и отключается от сети питания, выключается вентилятор низкого давления 13, а также все приборы, работающие от электрической сети
Влияние геометрических параметров сотовой структуры и канала на уровень интенсификации гидравлического сопротивления
Рассмотренные в параграфах 3.4…3.5 и на рисунках 3.10 и 3.11 экспериментальные данные о теплообмене на поверхности с СС относятся к каналам, в которых сотовые ячейки размещались только на одной (из двух противоположных) поверхности, а противоположная стенка канала оставалась гладкой. Однако в проведенных экспериментальных исследованиях выполнялись измерения теплообмена и на этой гладкой поверхности.
Для исследования влияния СС на теплообмен на противоположной гладкой стенке канала пластина с сотовыми ячейками устанавливалась на нижней поверхности канала, при этом равномерному нагреву подвергалась верхняя гладкая поверхность. Схемы размещения термопар и условия нагрева для обеих серий экспериментов были одинаковыми. Результаты этих экспериментов приведены на рисунках 3.8 и 3.9 в виде зависимостей измеренной на гладкой поверхности канала относительной величины у/а = Nu / NU0 , характеризующей различие интенсивности теплообмена Nu, от ее базовой величины Nu0, измеренной в испытаниях квалификационных гладкостенных моделей № 1-3. Изучение графиков на рисунке 3.9 показывает, что СС, размещенная на одной из поверхностей прямоугольного канала, способна в 2,0…2,5 раза интенсифицировать теплообмен на противоположной гладкой поверхности. Как показали эксперименты, уровень интенсификации у/а на гладкостенной поверхности зависит, прежде всего, от ее относительной удаленности Н от противоположной поверхности с СС и от относительной глубины h ячеек. Из данных рисунка 3.9 следует, что интенсификация теплообмена на гладкой поверхности канала возникает и увеличивается только при приближении к ней противоположной поверхности с СС. Например, результаты испытания группы моделей № 6,14,22, имевших одинаковую относительную глубину СС (h = 0,42), показали, что при больших удаленностях Н поверхностей канала (Я =1,0 в модели № 6) эффект интенсификации теплообмена на противоположной гладкой стенке не проявляется вовсе (рисунок 3.9, а). Однако уменьшение Н до величины Я =0,75 в модели № 14 приводит к интенсификации теплообмена на противоположной гладкой стенке в ц/а 1,3... 1,5 раза (рисунок 3.9, б), а дальнейшее уменьшение Н до величины Н =0,5 в модели № 22 ведет к более чем двукратной интенсификации теплообмена (на рисунке 3.9, в, ц/а 1,3... 1,5).
Интенсификация теплообмена на гладкой поверхности канала существенно зависит от величины относительной глубины h ячеек СС, расположенной на противоположной стенке канала. Из данных рисунка 3.9 следует, что интенсификация теплообмена на гладкой поверхности достигает наибольших значений при относительной глубине СС h = 0,4...0,55, при которой также наблюдается наибольшая интенсификация гидравлического сопротивления в канале вследствие более активного влияния потока из пространства сотовых ячеек на основное течение в канале. Например, результаты испытаний группы моделей № 20…23, имевших одинаковые геометрические показатели канала (//=0,5), но различную относительную глубину сотовых ячеек (А =0,25 в №20; й=0,33 в №21; h =0,40 в №22; й=0,55 в №23), показали, что СС с относительной глубиной h =0,20 в модели №20 интенсифицирует теплообмен на противоположной гладкой стенке канала в ц/а 1,4 раза, в то время как СС с относительной глубиной h = 0,55 в модели №23 интенсифицирует теплообмен на гладкой стенке канала уже в ц/а 2,5 раза. Дальнейшее увеличение относительной глубины СС h 0,55 приводит к снижению интенсификации теплообмена на противоположной гладкой стенке канала.
Исходя из экспериментальных данных, справедливо будет предположить, что для каждой величины относительной глубины h СС существует своя критическая величина относительной высоты канала Н, превышение которой ликвидирует влияние поверхности с СС на интенсификацию теплообмена на противоположной гладкой поверхности канала.
Обнаруженный положительный эффект воздействия СС на теплообмен на противоположной гладкой поверхности канала нуждается в дополнительном и более детальном изучении, поскольку его применение в практике охлаждения бандажных полок ГТ в ряде случаев может оказаться эффективнее традиционных решений. Например, выполнение СУ с относительной глубиной h = 0,4...0,55 СС, расположенной на малых удалениях Н 0,75 от охлаждаемых поверхностей ротора или бандажных полок рабочих лопаток, может позволить уменьшить себестоимость и увеличить эффекты охлаждения указанных поверхностей в ПЧ ГТД, а также активно воздействовать на темпы прогрева и остывания элементов СУ и др.
Влияние геометрических параметров сотовой структуры на уровень интенсификации теплообмена в канале уплотнения
Из графиков на рисунках 3.28 и 3.29 видно, что изменение геометрических параметров СС и канала в диапазоне h =0,2... 1,0 и Н = 0,5...1,0 при фиксированной величине коэффициента вдува т в большей степени оказывает влияние на глубину охлаждения на противоположной СС гладкой поверхности канала. Например, при уменьшении относительной высоты канала Н в модели, для которой характерна наибольшая интенсификация гидравлического сопротивления в канале ((/ = 5,86 ), глубина охлаждения может
достигать 12%. Предполагаем, что это является следствием наиболее активного вихреобразования и смешения горячего и холодного теплоносителей в пространстве сотовых ячеек и последующего выхода рабочего тела в стесненный канал. Таким образом, для достижения наиболее рационального и экономичного использования ОВ указанные особенности распределения величин глубины охлаждения на противоположной СС поверхности следует учитывать при проектировании уплотнительных устройств высокотемпературных ГТ, включающих в себя систему подачи охлаждающего теплоносителя.
Непосредственно на поверхности с СС, в случае вдува ОВ через систему отверстий, во всех исследованных моделях наблюдались высокие значения глубины охлаждения (0 = 59...66%), возрастающие при увеличении 105 относительной высоты канала Н и относительной глубины СС h. Указанные явления могут быть объяснены снижением активного вихреобразования и смешения горячего и холодного теплоносителей в пространстве сотовых ячеек вследствие удаления ядра основного потока в рабочем канале от пластины с СС в случае повышения относительной высоты канала Н при условиях h=idem и m= idem. В свою очередь, при увеличении относительной глубины СС Л в условиях Н = idem и m= idem также наблюдается повышение глубины охлаждения на поверхности с сотовыми ячейками, что вызвано, по нашему мнению, появлением застойных зон с наименее интенсивным вихреобра-зованием основного потока и преобладанием в ячейках вдуваемого ОВ.
По результатам экспериментальных исследований гидравлического сопротивления Л в различных по своим геометрическим параметрам моделях каналов с СС при вдуве ОВ в условиях автомодельности (Red Red ) наблюдается различное по своему характеру изменение гидравлического сопротивления ХЕ, общего (суммарного) расхода Ообщ и расхода утечки Gym при увеличении степени вдува m.
Так, для модели с относительной глубиной СС h = 1,0 при Н = 1,0, для которой при отсутствии вдува ОВ характерны сравнительно невысокие значения коэффициента гидравлического сопротивления (ц/ =3,83), при повышении величины коэффициента вдува m наблюдается наибольшее по сравнению с другими моделями увеличение гидравлического сопротивления в канале ( «85% при m=15%). Данное явление может быть связано с более интенсивным смешением потока утечки и ОВ непосредственно в рабочем канале, а также с изменением характера пространственной структуры потока и вихреобразования в объеме сотовых ячеек вследствие подачи воздуха перпендикулярно направлению движения основного потока в канале.
Наблюдаемые в ходе экспериментальных исследований эффекты интенсификации гидравлического сопротивления в канале могут быть полезны в случае применения СС неоптимальной, по критерию минимума утечки, глубины (h 0,6) - за счет вдува ОВ будут достигаться более высокие значения гидравлического сопротивления. При этом благодаря глубоким ячейкам сотовый массив будет сохранять свою целостность и надежность работы при возможном задевании СС элементами ротора. Как уже указывалось, при увеличении глубины СС повышается глубина охлаждения на пластине с сотовыми ячейками.
При дальнейшем уменьшении глубины СС до значений h = 0,5 в условиях стесненного канала (Н = 0,5) по мере увеличения степени вдува m наблюдается снижение (до т=15%) коэффициента гидравлического сопротивления АЕ , который затем монотонно увеличивается, достигая исходных значений при Я2=35…40%. Следует отметить, что из всех исследованных моделей рабочий канал с указанными геометрическими параметрами (h = 0,5 и Н = 0,5) в случае отсутствия вдува ОВ характеризовался наибольшими значениями интенсификации гидравлического сопротивления и теплообмена.
Таким образом, вдув ОВ через систему отверстий в пластине с СС обеспечивает возможность интенсифицировать гидравлическое сопротивление в канале в конструкциях уплотнительных устройств с СС с относительной глубиной, отличной от оптимальной (Л =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.
