Flow law and algorithm of straight grate teeth under the influence of geometric parameters of tooth shape.pdf Введение В настоящее время высокие температура и давление в паротурбинном газовом двигателе приводят к плохому уплотнению между статором и неподвижными частями, поэтому производительность двигателя тесно связана с соотношением запасов топлива и скоростью утечки [1-3]. Уменьшение утечки является наиболее важным шагом, что достигается колосниковым уплотнением. Оно очень важно при проектировании турбины, поскольку ее производительность тесно связана с качеством уплотнения, а стоимость колосникового уплотнения невелика. Под протеканием решетчатого уплотнения понимается прохождение ряда путей с высоким коэффициентом трения, ограниченных выходом. Можно сказать, что полное давление на выходе из уплотнения тесно связано с потерей индивидуальных ограничений, а предельные потери будут снижать выходное давление. По мере прохождения потока через лабиринтное уплотнение давление уменьшается в зависимости от его длины. Причиной локального статического давления в пространстве лабиринтного уплотнения и выходе из него является внезапное расширение потока в застойной точке [4, 5]. Композиционная структура колосникового уплотнения сложна, соотношение давления уплотнения и частоты вращения двигателя влияет на эмиссионные свойства [6-9]. Ранее исследовались характеристики утечки большого уплотнения при различном соотношении давлений и радиальном зазоре [10]. Было изучено на статическом испытательном стенде влияние толщины лопатки и ее профиля. Обсуждалась взаимосвязь между эксцентриситетом и утечкой лабиринтного уплотнения. В [11] экспериментально и с помощью численного моделирования проведен анализ связи между утечками лабиринтного уплотнения и давлением в его полости при комбинации отношений давления и скорости вращения. Герметичность уплотнения не была рассчитана. В работе [12] рассматриваются расстояние между зубьями, диаметр вала, а также влияние числа Рейнольдса и зазора на остаточный коэффициент, но отсутствует заключение. В [13] проведено исследование утечки лабиринта, однако разработанный алгоритм не идеален, так как существуют дефекты герметизации. Для объяснения взаимосвязи между переменными и целевыми величинами был предложен безразмерный и взаимозависимый метод анализа [14, 15], причем метод не сводится к суммированию течений через зубья решетки. В [16] изучены результаты для некоторых геометрических схем, в которых поток утечки смешивается с основным потоком, однако метод имеет проблему расположения зубчатых колес. На основе вышеизложенного предлагаются результаты исследования особенностей течения и алгоритм лабиринтных уплотнений в зависимости от геометрических параметров профиля зуба. Было разработано 22 варианта моделей прямых лабиринтных уплотнений, имеющих различные высоту зубьев, расстояние между ними, толщину кончика и количество зубьев. Эксперименты проводились на моделях для проверки протекания утечки линейного лабиринтного уплотнения. Исследовано влияние различных параметров на герметизацию и влияние герметизации на утечку. Материал и методы Для обобщения картины течения в лабиринтных уплотнениях были разработаны экспериментальные материалы и методы. На рис. 1 представлено статическое испытательное устройство. Газ под действием расширительной трубки поступает в закрытый испытательный сосуд, а затем вытекает из выхлопной трубы [17]. Ширина входного отверстия составляет 200 мм, высота - 12 мм, ширина выходного отверстия - 200 мм, а высота уменьшается до 10 мм. В ходе эксперимента закрытая модель удерживается неподвижно на опорной плите (рис. 2), при этом ширина всех моделей была одинаковой - 200 мм. Газ вытекает через общий канал под опорной плитой и под основной полостью (как указано стрелкой). С потоком сопряжены три неколлинеарные точки, которые используются для регулировки высоты и остаются неизменными для гарантирования горизонтального расположения канала. На рис. 3 представлена подробная система нагрева (приборная панель на рис. 2) с термопарой, расположенной горизонтально под каналом. На рис. 4 показано распределение температуры и давления. Гидростатическая направляющая между двумя зубьями и направляющая полного давления на входе и выходе расположены так, как показано на рис. 3 (положения I и II), причем эксперимент проводился при соотношении давлений 1.2:1.8. Рис. 1. Эскиз экспериментальной установки Рис. 2. Эскиз секции лабиринтного уплотнения Рис. 3. Эскиз лабиринтного уплотнения Конструкции лабиринтных уплотнений Лабиринтное уплотнение было разработано в соответствии с вышеуказанными материалами и методами. На рис. 4 показаны размеры прямолинейного пространства уплотнения решетки. Основные геометрические параметры: t - толщина наконечника зубьев, с - зазор, H - высота уплотнения, В - герметизирующее соединение, α - угол конуса переднего уплотнения, β - угол конуса заднего уплотнения. Существует целый ряд геометрических параметров: 0.1 мм  с  0.7 мм, 0.2 мм  t  0.6 мм, 3 мм  H  7 мм, 3 мм  B  9 мм, 0    15, 0    15. В качестве основного критерия эксперимента взят метод факторного вращения 22 моделей, а в качестве базовой рассматривается модель 3. Параметры приведены в таблице. Модели 1-5 имеют ширину зуба t, модели 6-9 - H, модели 10-14 указывают на ширину герметизирующей полости B, модели 15-17 представляют зуб номер N, а модели 18-22 были ориентированы на влияние лабиринтного зазора c зуба в отличие от базовой модели 3. Передний угол  и задний угол  уплотнительных конусов такие же, как и у вышеприведенной модели (рис. 5 для различных моделей уплотнений). Рис. 4. Параметры лабиринтного уплотнения Рис. 5. Модели различных уплотнений Геометрические параметры зуба № модели t, мм H, мм B, мм N c, мм 1 0.2 4.8 4 3 0.3 2 0.3 4.8 4 3 0.3 3 0.4 4.8 4 3 0.3 4 0.5 4.8 4 3 0.3 5 0.6 4.8 4 3 0.3 6 0.4 3 4 3 0.3 7 0.4 4 4 3 0.3 8 0.4 6 4 3 0.3 9 0.4 7 4 3 0.3 10 0.4 4.8 3 3 0.3 11 0.4 4.8 5 3 0.3 12 0.4 4.8 6 3 0.3 13 0.4 4.8 7 3 0.3 14 0.4 4.8 8 3 0.3 15 0.4 4.8 4 2 0.3 16 0.4 4.8 4 4 0.3 17 0.4 4.8 4 5 0.3 18 0.4 4.8 4 3 0.1 19 0.4 4.8 4 3 0.2 20 0.4 4.8 4 3 0.4 21 0.4 4.8 4 3 0.5 22 0.4 4.8 4 3 0.6 Экспериментальные результаты и анализ В качестве экспериментальных объектов были взяты вышеописанные 22 лабиринтных уплотнительных механизма с различными техническими характеристиками. Цель исследования - изучение влияния различных параметров на эффект уплотнения. Эффективность разряжения для прямого зубчатого уплотнения с гладкой стенкой выражается как (1) где (2) В приведенной формуле - массовый расход утечки, отображаемый расходомером в преобразователе, - теоретический массовый расход утечки в изоэнтропическом приближении [18]. Отношением представлена сравнительная зависимость между давлением на входе и выходе (рис. 4), что также показывает давление вдоль путей движения воздуха. Площадь сечения пространственного зазора равна ( - ширина лабиринта; с - зазор между зубами лабиринта). Известен относительный коэффициент вариации эффективности разряда: , (3) где обозначает любой геометрический фактор; - порядковый номер геометрических факторов; - эффективность разрядки. Расчет проведен при перепаде давлений 1.6. На рис. 6 представлена зависимость коэффициента расхода от величины уплотнительного зазора с. При непрерывном расширении зазора обнаруживает медленно восходящую тенденцию. Если взять в качестве примера коэффициент давления 1.8, то относительный коэффициент вариации уменьшается с увеличением зазора уплотнения [19]. По мере увеличения зазора с 0.1 до 0.2 мм относительный коэффициент вариации  увеличивается до 31.8%. При росте зазора с 0.5 до 0.6 мм коэффициент  уменьшается до 3.5%. Следует отметить, что при увеличении зазора увеличивается площадь потока, но уменьшаются скорость течения на кончике зуба и скорость завихрения в полости между зубьями, что приводит к снижению эффективности уплотнения [20-25]. С уменьшением зазора между зубьями лабиринтного уплотнения снижается его герметичность. На рис. 7 показана зависимость коэффициента расхода от высоты уплотнения H. С увеличением высоты уплотнения уменьшается при каждом коэффициенте расхода, а объем полости лабиринтного уплотнения увеличивается, при этом завихрение в полости постоянно растет, что приводит к быстрому рассеиванию кинетической энергии и уменьшению утечки уплотнения. Рис. 6. Коэффициент расхода при различных значениях с Рис. 7. Коэффициент расхода на разных высотах На рис. 8 показана зависимость коэффициента расхода от расстояния уплотнения B. Когда размер уплотнения был увеличен с 3 до 4 мм, тогда коэффициент  повысился до 23.5%, далее до 53.1%, а затем до 1.4%. С увеличением размера уплотнения объем полости лабиринтного уплотнения также растет, вихревой поток в полости усиливается, кинетическая энергия быстро рассеивается, диссипирующая энергию вибрация полости мала, а убывающая тенденция отлогая. Зависимость коэффициента расхода от ширины потока напора Т приведена на рис. 9. По мере увеличения ширины повышается и . Эффект протекания растет с увеличением количества стекающих по стенке в зазор струй и уменьшается (герметичность увеличивается) с понижением угла расширения струи. Рис. 8. Коэффициент расхода при различных В Рис. 9. Коэффициент расхода при различных t На рис. 10 показана зависимость коэффициента расхода от количества уплотнений. С увеличением количества уплотнений наблюдалась тенденция к снижению параметра [26-28], в то время как коэффициент  оставался неизменным. С увеличением количества уплотнений усиливаются дросселирующий эффект наконечника зуба и завихрение в полости, что ускоряет рассеивание кинетической энергии. Рис. 10. Коэффициент расхода при различных N Причиной изменения коэффициента расхода в ходе экспериментов является различие соответствующих геометрических параметров в моделях. Поэтому чувствительность геометрических параметров к коэффициенту расхода была проанализирована в сочетании с коэффициентом чувствительности к потоку: . (4) Согласно приведенным экспериментальным данным, коэффициент чувствительности различных факторов может быть получен при , , , , , . Из приведенных значений следует , т.е. эффективное изменение представляет . Из сравнения всех коэффициентов получено, что тенденция изменения одинакова. Таким образом, тенденция влияния изменения диапазона параметров на чувствительность при едином условии такова: . Обсуждение На рис. 11 показаны распределения статического давления на входном и выходном сечениях и внутри каждой полости лабиринтного уплотнения в раздельных условиях для значений N = 2, 3, 4. Видно, что давление непрерывно уменьшается вдоль оси с ростом N. Перепады давления, происходящие через каждую полость зуба, почти одинаковы, проявляются лишь незначительные изменения в различных соотношениях давлений. Рис. 11. Изменение давления в полости с N = 2 (а), 3 (б), 4 (в) и 5 (г) Падение давления воздушного потока, проходящего через каждый зубец всего перепада давления лабиринта при  = 1.8, приведено на рис. 11. Можно заметить, что наибольшие перепады происходят в первых зубьях. Это вызвано сокращением и расширением области течения [29, 30]. Когда воздушный поток входит в первую секцию зуба из горизонтального канала с резким сужением секции, тогда воздушный поток сжимается на кончике зуба. Затем поток втекает в первую полость, отношение площади дросселя и угол струи сильно меняются, а давление внезапно падает. То же самое повторяется в следующем зубе. По мере увеличения числа зубьев с 2 до 5, относительный перепад давления в первой и последней секциях постепенно уменьшается. При прохождении через несколько средних зубов соответствующий перепад давления в них несколько увеличивался. Относительное падение давления в первой секции снизилось с 70.3 до 33.2%, в то время как в последней секции - с 29.7 до 22.4% [31-33]. Как можно заметить, первые и последние зубья играют наиболее важную роль в конструкции. Средние зубы вызывают относительно небольшой перепад давления с незначительными изменениями в области лабиринтного уплотнения. Выводы В данной работе разработаны варианты 22 прямых лабиринтных уплотнений с различными геометрическими параметрами: ширины зуба t, расстояния уплотнения B, зазора c, высоты зуба H, числа зубьев N и давления 1.2 Н. Исследованы характеристики герметичности лабиринтного уплотнения и получены следующие результаты: 1. В лабиринтном уплотнении эффективность растет с повышением степени давления в уплотнении. Уплотнение улучшается с увеличением количества зубьев, их высоты и расстояния между ними. 2. Порядок, в котором диапазон геометрических параметров влияет на чувствительность коэффициента потока, выглядит следующим образом: . 3. В лабиринтном уплотнении первые и последние зубья играют разную роль, наиболее важными являются первые зубья. С увеличением числа зубьев N от 2 до 5 доля перепада давления в первой секции уменьшалась с 70.3 до 33.2%, а в последней - с 29.7 до 22.4%. Эксперименты показали, что при прохождении сжатого воздуха через лабиринтные уплотнения падение давления на первых и последних зубьях больше, чем на средних. Поэтому, если уделять больше внимания конструкции первого и последнего зубьев, то эффект уплотнения будет лучше.

Скачать электронную версию публикации