Исследование влияния предварительной закрутки потока и вращения гребней на течение пара и характеристики надбандажного лабиринтного уплотнения турбинной ступени

• Леонид Яковлевич Лазарев

  ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

  Автор

• Валерий Александрович Фадеев

  ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»»

  Автор

Лабиринтные уплотнения являются основным способом уменьшения утечек рабочего тела между статором и ротором турбомашин. В нормативных документах по расчёту лабиринтных уплотнений, разработанных около 40 лет назад (в 1986 г.), закрутка потока перед уплотнением и вращение гребней уплотнения, относятся к неучтённым факторам, «которые могут оказывать существенное влияние». Ещё в конце 20 века в МЭИ были проведены расчётные и экспериментальные исследования, показавшие, что закрутка потока перед уплотнением является неотъемлемым атрибутом процесса течения в уплотнениях турбомашин. Однако абсолютное большинство журнальных публикаций и до сего дня касается исследований уплотнений с осевым входом потока и без вращения гребней. В статье анализируются результаты численного исследования модели надбандажного уплотнения одной из ступеней паровой турбины при переменном угле выхода потока из соплового аппарата α₁= var. Предложена методика постановки граничных условий для модели уплотнения, в которой наиболее полно достигается адекватность натурным условиям. Показано, что изменение закрутки потока в пределах α₁ = 13° ÷ 90° приводит к уменьшению расхода утечки более, чем в 2 раза, из-за возрастания потерь давления на местных сопротивлениях (уступ, выступ, колено, гребень и др.), являющимися основными геометрическими элементами уплотнения, в связи со сменой характера их обтекания. Закрутка, также, значительно изменяет крутящий момент на бандаже и осевое усилие на нём. Вращение бандажа существенно сказывается на крутящем моменте и слабо влияет на расход утечки. Обнаружен эффект энерго-массообмена на границах между областью подвода и отвода рабочего тела с областью уплотнения, особенно сильно проявляющийся при α₁> 35°.

1. Леонид Яковлевич Лазарев, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»

   кандидат технических наук, доцент кафедры паровых и газовых турбин (ПГТ)

2. Валерий Александрович Фадеев, ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»»

   кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры паровых и газовых турбин (ПГТ)

1. Серков С.А. Определение аэродинамических сил в уплотнениях турбомашин, вызывающих низкочастотную вибрацию, и выработка рекомендаций по повышению устойчивости движения ротора: дис. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1983.

2. Петрунин Б.Н. Исследование аэродинамических сил в уплотнениях турбомашин и экспериментальное обоснование расчетной методики: дис. канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1991.

3. Костюк А.Г. Теоретический анализ аэродинамических сил в лабиринтных уплотнениях турбомашин //Теплоэнергетика. 1972. № 11. С. 29–33.

4. РТМ108.020.33-8886. Уплотнения лабиринтные стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров. Проектирование и расчет. Л.: ЦКТИ, 1986.

5. Дмитриев, С. С. Экспериментальные исследования влияния вращения ротора и закрутки потока перед уплотнениями на расход утечки / С. С. Дмитриев, Б. Н. Петрунин, М. Э. А. Э. Ахмед // Теплоэнергетика. – 2021. – № 2. – С. 16-27. – DOI 10.1134/S0040363621010124.

6. Ziang X., Jiao Y., Qu X., Zhao Z., Huo G., Huang K, Inlet preswirl dependence research on three different labyrinth seals, Tribology International, Volume 176, 2022, 107929, ISSN 0301-679X, https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107929.

7. Андросович И.В. Математическое моделирование и оптимизация лабиритного уплотнения газотурбинного двигателя с учётом прочностных свойств//Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 2. С. 107 – 117. DOI: 10.34759/vst-2022-2-107-117.

8. Ing. Michal Čížek. Analýz a proudění v labyrintových ucpávkách malého turbovrtulového motoru. České vysoké učení technické v Praze. Fakulta strojní, ústav letadlov é techniky. Disertační práce. Praha, 2021

9. Zhigang Li, Jun Li, Shizhu Wang, Dawei J, Gaohui Xiao, Xuefei Zhai. Numerical Investigations on the Aerodynamic Performance of Turbine Stage and Rotor dynamic Characteristics of Stator Seal with Consideration of Supplementary Steam. Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition GT2015 June 15 – 19, 2015, Montréal, Canada. GT2015-42549

10. Лазарев Л.Я., Фадеев В.А. Методика экспериментальных и расчетных исследований надбандажных лабиринтных уплотнений турбомашин. Теплоэнергетика, 2020, № 5, с. 14–24.

11. X. Jia, H. Zhang, Q. Zheng, S. Fan, and Z. Tian, “Investigation on rotor labyrinth seal system with variable rotating speed,” Int. J. Turbo Jet Engines, vol. 36, no. 1, pp. 19–29, 2019, doi: 10.1515/tjj-2016-0066.

• pdf