Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин

Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин

Целью данного исследования является разработка инженерной методики для расчета осерадиальных уплотнений, которая позволяет определить коэффициент расхода через уплотнения с учетом влияния на него как геометрических и режимных параметров, так и смещения усиков уплотнения, вызванное тепловым расширени...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Проблемы машиностроения
Datum:2015
Hauptverfasser: Бойко, А.В., Усатый, А.П., Максюта, Д.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2015
Schlagworte:
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99206
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин / А.В. Бойко, А.П. Усатый, Д.И. Максюта // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 3. — С. 26-30. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99206
record_format dspace
spelling Бойко, А.В.
Усатый, А.П.
Максюта, Д.И.
2016-04-24T15:58:33Z
2016-04-24T15:58:33Z
2015
Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин / А.В. Бойко, А.П. Усатый, Д.И. Максюта // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 3. — С. 26-30. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
0131-2928
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99206
621.165
Целью данного исследования является разработка инженерной методики для расчета осерадиальных уплотнений, которая позволяет определить коэффициент расхода через уплотнения с учетом влияния на него как геометрических и режимных параметров, так и смещения усиков уплотнения, вызванное тепловым расширением проточной части. В качестве объекта исследования было выбрано осерадиальное надбандажное уплотнение 3-й ступени ЦВД одной из мощных паровых турбин. Варьируемыми параметрами были выбраны 10 величин: отношение скоростей u/с, угол потока около периферийной поверхности, окружная скорость, количество усиков уплотнения слева, количество усиков уплотнения справа, шаг между усиками, высота усиков, радиальный зазор, ширина средней камеры, смещение от теплового расширения. Согласно поставленной цели исследования был составлен план эксперимента, который в общей сложности состоял из 132 расчетных. Все расчеты были выполнены в трехмерной постановке (CFD). Проведение расчетов по плану эксперимента позволило получить формальную макромодель повышенной точности и построить зависимости коэффициента расхода от каждого из варьируемых параметров. Разработанная методика позволяет определять коэффициент расхода осерадиального уплотнения в зависимости от его геометрических и режимных характеристик, а также с учетом смещения ротора относительно статора от теплового расширения. По результатам исследования создана программа «Clearance», позволяющая в диалоговом режиме определять величину коэффициента расхода через осерадиальное уплотнение.
Проведено серію тривимірних CFD розрахунків для визначення залежності коефіцієнта витрати вісерадіального ущільнення від зміни його геометричних та режимних параметрів. Побудовано формальну макромодель підвищеної точності, яка дозволяє, задавшись відомим набором параметрів, визначити коефіцієнт витрати та розрахувати реальну витрату робочого тіла через ущільнення. Враховано вплив теплового розширення ротора на коефіцієнт витрати в ущільненні. Створено спеціальну комп’ютерну програму для зручності користування даною методикою.
The purpose of the research work presented in the paper was to develop the reliable engineering method for calculating axialradial sealing, which allows to determine massflow coefficient in the sealing considering the influence of geometrical, working parameters and offset of the sealing due to the heat expansion. Axial-radial sealing of the third high pressure turbine stage was decided to be the object of study. 10 parameters were chosen to be varied: u/c speed ratio, flow angle -1 near the shroud, angular velocity u, number of knife edges in the left side of the sealing, number of knife edges in the right side of the sealing, step between the knife edges, height of the knife edges, radial gap, width of the middle chamber, sealing offset due to the heat expancion. According to goal of the research, experiment plan, which included 132 calculation points, was built. All simulations were performed using CFD. Calculations according to the plan of the experiment allowed to obtain accurate formal metamodel and to plot dependencies of the varied parameters on the massflow coefficient. Developed engineering method allows to define massflow coefficient of the axial-radial sealing depending on its geometrical and working characteristics, also considering rotor offset caused by the heat expansion. Interactive computer program “Clearance” was developed which make possible to define value of massflow coefficient in the axial-radial sealing.
ru
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
Проблемы машиностроения
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
Development of the reliable engineering method of the quality estimation of the turbine axial-radial sealing
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
spellingShingle Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
Бойко, А.В.
Усатый, А.П.
Максюта, Д.И.
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
title_short Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
title_full Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
title_fullStr Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
title_full_unstemmed Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
title_sort разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин
author Бойко, А.В.
Усатый, А.П.
Максюта, Д.И.
author_facet Бойко, А.В.
Усатый, А.П.
Максюта, Д.И.
topic Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
topic_facet Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
publishDate 2015
language Russian
container_title Проблемы машиностроения
publisher Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
format Article
title_alt Development of the reliable engineering method of the quality estimation of the turbine axial-radial sealing
description Целью данного исследования является разработка инженерной методики для расчета осерадиальных уплотнений, которая позволяет определить коэффициент расхода через уплотнения с учетом влияния на него как геометрических и режимных параметров, так и смещения усиков уплотнения, вызванное тепловым расширением проточной части. В качестве объекта исследования было выбрано осерадиальное надбандажное уплотнение 3-й ступени ЦВД одной из мощных паровых турбин. Варьируемыми параметрами были выбраны 10 величин: отношение скоростей u/с, угол потока около периферийной поверхности, окружная скорость, количество усиков уплотнения слева, количество усиков уплотнения справа, шаг между усиками, высота усиков, радиальный зазор, ширина средней камеры, смещение от теплового расширения. Согласно поставленной цели исследования был составлен план эксперимента, который в общей сложности состоял из 132 расчетных. Все расчеты были выполнены в трехмерной постановке (CFD). Проведение расчетов по плану эксперимента позволило получить формальную макромодель повышенной точности и построить зависимости коэффициента расхода от каждого из варьируемых параметров. Разработанная методика позволяет определять коэффициент расхода осерадиального уплотнения в зависимости от его геометрических и режимных характеристик, а также с учетом смещения ротора относительно статора от теплового расширения. По результатам исследования создана программа «Clearance», позволяющая в диалоговом режиме определять величину коэффициента расхода через осерадиальное уплотнение. Проведено серію тривимірних CFD розрахунків для визначення залежності коефіцієнта витрати вісерадіального ущільнення від зміни його геометричних та режимних параметрів. Побудовано формальну макромодель підвищеної точності, яка дозволяє, задавшись відомим набором параметрів, визначити коефіцієнт витрати та розрахувати реальну витрату робочого тіла через ущільнення. Враховано вплив теплового розширення ротора на коефіцієнт витрати в ущільненні. Створено спеціальну комп’ютерну програму для зручності користування даною методикою. The purpose of the research work presented in the paper was to develop the reliable engineering method for calculating axialradial sealing, which allows to determine massflow coefficient in the sealing considering the influence of geometrical, working parameters and offset of the sealing due to the heat expansion. Axial-radial sealing of the third high pressure turbine stage was decided to be the object of study. 10 parameters were chosen to be varied: u/c speed ratio, flow angle -1 near the shroud, angular velocity u, number of knife edges in the left side of the sealing, number of knife edges in the right side of the sealing, step between the knife edges, height of the knife edges, radial gap, width of the middle chamber, sealing offset due to the heat expancion. According to goal of the research, experiment plan, which included 132 calculation points, was built. All simulations were performed using CFD. Calculations according to the plan of the experiment allowed to obtain accurate formal metamodel and to plot dependencies of the varied parameters on the massflow coefficient. Developed engineering method allows to define massflow coefficient of the axial-radial sealing depending on its geometrical and working characteristics, also considering rotor offset caused by the heat expansion. Interactive computer program “Clearance” was developed which make possible to define value of massflow coefficient in the axial-radial sealing.
issn 0131-2928
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99206
citation_txt Разработка методики оценки качества осерадиальных уплотнений турбин / А.В. Бойко, А.П. Усатый, Д.И. Максюта // Проблемы машиностроения. — 2015. — Т. 18, № 3. — С. 26-30. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT boikoav razrabotkametodikiocenkikačestvaoseradialʹnyhuplotneniiturbin
AT usatyiap razrabotkametodikiocenkikačestvaoseradialʹnyhuplotneniiturbin
AT maksûtadi razrabotkametodikiocenkikačestvaoseradialʹnyhuplotneniiturbin
AT boikoav developmentofthereliableengineeringmethodofthequalityestimationoftheturbineaxialradialsealing
AT usatyiap developmentofthereliableengineeringmethodofthequalityestimationoftheturbineaxialradialsealing
AT maksûtadi developmentofthereliableengineeringmethodofthequalityestimationoftheturbineaxialradialsealing
first_indexed 2025-11-24T09:03:06Z
last_indexed 2025-11-24T09:03:06Z
_version_ 1850844004181082112
fulltext АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 26 4. Русанов, А. В. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточных частях турбомашин / А. В. Русанов, С. В. Ершов. – Харьков: ИПМаш НАН Украины, 2008. – 275 с. 5. IAPWS, Revised Release on the IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use. – Available from: http://www.iapws.org. 6. Русанов, А. В. Моделирование 3D течений в протонной части ЦНД паровой турбины с использованием сис- темы уравнений термодинамических свойств воды и водяного пара IAPWS-95 / А. В. Русанов, П. Лампарт, Н. В. Пащенко // Авиац.-косм. техника и технология. – 2012. – № 7(94). – С. 107–113. 7. Lampart, P. Validation of 3D RANS Solver With a State Equation of Thermally Perfect and Calorically Imperfect Gas on a Multi-Stage Low-Pressure Steam Turbine Flow / P. Lampart, A. Rusanov, S. Yershov // J. of Fluids Eng. – 2005. – Vol. 127. – P. 83–93. 8. Lampart, P. Increasing flow efficiency of high-pressure and low-pressure stream turbine stages from numerical op- timization of 3D blading / P. Lampart, S. Yershov, A. Rusanov // Eng. Optimization. – 2005. – Vol. 37. – P. 145– 166. Поступила в редакцию 21.08.15 А. В. Бойко, д-р техн. наук А. П. Усатый, д-р техн. наук Д. И. Максюта Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, e-mail: anatoli- boiko@yahoo.com, alpaus@ukr.net, studkolo@gmail.com Ключові слова: вісерадіальне ущільнен- ня, коефіцієнт витоки ущільнення, ме- тодика оцінки якості ущільнення. УДК 621.165 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОСЕРАДИАЛЬНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ТУРБИН Проведено серію тривимірних CFD розрахунків для визначення за- лежності коефіцієнта витрати вісерадіального ущільнення від зміни його геометричних та режимних параметрів. Побудовано формальну макромодель підвищеної точності, яка дозволяє, зада- вшись відомим набором параметрів, визначити коефіцієнт витра- ти та розрахувати реальну витрату робочого тіла через ущіль- нення. Враховано вплив теплового розширення ротора на коефіці- єнт витрати в ущільненні. Створено спеціальну комп’ютерну про- граму для зручності користування даною методикою. Введение Потери, связанные с наличием протечек через радиальные надбандажные уплотнения, обычно учитываются при расчете эффективности всей ступени [1]. При этом коэффициент расхода через уп- лотнения часто оценивался с помощью формулы Стодолы [2], в которой используются эмпирические величины, существенно зависящие от конкретной формы уплотнения. В последнее время в мощных паровых турбинах все чаще используются осерадиальные уплотнения. Однако надежных эмпириче- ских зависимостей для оценки коэффициента расхода уплотнений такого вида нет. Целью данного исследования является разработка инженерной методики для расчета осера- диальных уплотнений, которая позволяет определить коэффициент расхода через уплотнения с уче- том влияния на него как геометрических и режимных параметров, так и смещения усиков уплотне- ния, вызванного тепловым расширением проточной час- ти. Постановка задачи В качестве объекта исследования выбрано осера- диальное надбандажное уплотнение 3-й ступени цилинд- ра высокого давления одной из мощных паровых турбин. Общий вид уплотнения представлен на рис. 1. Варьируемыми параметрами были выбраны 10 величин (таблица, рис. 2). Диапазоны варьирования и ис- ходные значения параметров сведены в табл. 1.  Бойко А. В., Усатый А. П., Максюта Д. И., 2015 Рис. 1. Общий вид исследуемого осерадиального уплотнения АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 27 Исходные и варьируемые параметры Параметры Размерность Исходное значение Нижняя граница Верхняя граница отношение скоростей u/сф – 0,569 0,45 0,7 угол потока α1 около периферии град 12 12 24 окружная скорость u м/с 152,68 100 350 количество усиков слева n1 шт 6 5 7 количество усиков справа n2 шт 5 4 6 шаг между усиками t мм 4,8 3,8 5,8 высота усиков h мм 4,5 3,5 5,5 радиальный зазор δ мм 1 0,1 2,5 ширина средней камеры T мм 29 4,5 34 смещение от теплового расширения X мм 0 –t +t Окружная скорость u была вынесена отдельным варьируемым параметром для обеспечения моделирования течения в уплотнениях турбины с различным диаметром уплотнения. Так, диапазон окружной скорости 100–350 м/с соответствует диаметрам уплотнения: при частоте вращения 3000 об/мин – 636,6–2228,2 мм; при частоте вращения 1500 об/мин – 1273,2–4456,4 мм. Необходимо отметить, что количество усиков, шаг между ними и их высота измерялись по усикам на бандаже. Схема замеров осерадиального уплотнения показана на рис. 2. Смещение от теплового расширения измеряется в мм и не может превышать значение шага в каждую из сторон. Подход к решению задачи Поставленная задача предполагает создание формальной макромодели (ФММ), которая будет точно определять значение коэффициента расхода в диапазонах изменения варьируемых параметров. Создание ФММ происходит при помощи теории планирования эксперимента [3]. Для повышения точности полученного решения квадратичные и линейные члены полинома формальной макромодели заменялись кубическими сплайнами [4]. Выполнение поставленной задачи предпочтительно с использованием методов вычислитель- ной гидромеханики (CFD). Для этого была создана трехмерная расчетная область исходного уплот- нения с параметрами, указанными в таблице. Угловой размер сектора уплотнения составил 3,6°, т. е. 1/100 часть окружности. На всех твердых поверхностях создавалось сгущение сетки для корректного моделирования пограничного слоя с минимальным размером первого элемента 0,05 мм. Таким образом, была создана тетраэдральная сеточная модель исходного уплотнения с приз- матическим пограничным слоем и гексаэдральным ядром потока (рис. 3). Общее количество элемен- тов в созданной модели – 876797. Сеточные модели для промежуточных точек плана строились с со- хранением вышеизложенных принципов. Рис. 2. Схема замеров осерадиального уплотнения Рис. 3. Трехмерная расчетная модель АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 28 В качестве граничных условий для решателя задавались: давление торможения на входе P1 * , темпе- ратура торможения на входе T1 * , угол входа потока в уплотнение α1, статическое давление на выходе P2, частота вращения бандажа. Начальная турбулентность составила 5%, модель турбулентности k-ω SST, рабо- чее тело – перегретый пар. Расчетное исследование Согласно поставленной цели исследования, был составлен план эксперимента, который в общей сложности состоял из 131 расчетной точки и расчета исходного уплотнения. Все расчеты были выполнены в трехмерной постановке. Коэффициент расхода через уплотнение опре- делялся как µG = G/Gт, где G – реальный расход через уплотнение, Gт – теоретический расход через уплотнение, определяе- мый по формуле Gт = Fупл⋅сt ρ2t, где Fупл – площадь проходного сечения зазора, сt – теоретическая скорость истечения из уплотнения, ρ2t – теоретическая плотность потока за рабочей решеткой (как функция зависимости от давления и энтропии). Площадь проходного сечения зазора Fупл = π dупл δ. Теоретическая скорость истечения определялась как ( )       −⋅ ρ ⋅⋅ − ⋅= − k k t t PPP k k c 1 * 12 2 * 1 1 1 1 2 где k – коэффициент адиабаты. Полученные значения теоретической скорости истечения находятся в диапазоне 236,5– 375,2 м/с, что значительно ниже скорости звука при данных параметрах потока (a > 595 м/с). Проведение расчетов по плану эксперимента позволило получить формальную макромодель повышенной точности и построить зависимости коэффициента расхода от каждого из варьируемых параметров. Примечательно, что коэффициент расхода че- рез уплотнение меняется не пропорционально изме- нению радиального зазора уплотнения (рис. 4). Дан- ная ситуация обусловлена нелинейностью изменения реального расхода при малых радиальных зазорах (рис. 5). Также представляет интерес влияние ширины средней камеры на коэффициент расхода. Видно, что имеется оптимальное значение этой величины, кото- рое находится в пределах 27–30 мм (рис. 6). С уменьшением величины средней камеры и сведением ее до ширины шага между усиками уплотнения ко- эффициент расхода линейно растет. Данная зависи- мость подтверждается, и если анализировать влияние шага между усиками уплотнения на коэффициент расхода (рис. 7). С увеличением шага коэффициент Рис. 4. Зависимость коэффициента расхода от величины радиального уплотнения Рис. 5. Зависимость теоретического и реального расходов от величины радиального зазора АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 29 расхода уменьшается. Исследования осерадиального уплотнения показали, что существует зависимость коэффици- ента расхода от смещения, вызванного тепловым расширением (рис. 8). Данное влияние оценивалось как отношение коэффициента расхода при заданном осевом смещении к коэффициенту расхода, по- лученному при нулевом смещении. Так, из рис. 8 видно, что отношение µ/µХ=0 изменяется в пределах 12%. Локальное увеличение коэффициента расхода на 20% при смещении бандажа влево на величину одного шага между усиками обусловлено фактическим уменьшением числа «работающих» камер между усиками, в которых происходит закручивание потока. Также имеется зона, где отношение µ/µХ=0 меньше 1, то есть коэффициент расхода при данном смещении меньше, чем коэффициент рас- хода при нулевом смещении. Причиной этому является попадание одновременно двух пар усиков на бандаже и периферийной поверхности в «нониус», что, очевидно, вызывает увеличение гидравличе- ского сопротивления уплотнения. Для удобства использования разработанной методики была создана специализированная про- грамма «Clearance», которая позволяет получить величину коэффициента расхода через уплотнение, задав значения исходных параметров. Интерфейс данной программы представлен на рис. 9. Выводы 1. Проведен ряд CFD экспериментов, позволивший определить зависимость расхода рабочего тела через осерадиальное уплотнение от изменения его геометрических и режимных параметров. 2. Получена формальная макромодель повышенной точности для расчета коэффициента рас- хода осерадиального уплотнения. 3. Разработана методика, позволяющая определять коэффициент расхода осерадиального уп- лотнения в зависимости от его геометрических и режимных характеристик, а также с учетом смеще- ния ротора относительно статора от теплового расширения. 4. По результатам исследования создана программа «Clearance», позволяющая в диалоговом режиме определять величину коэффициента расхода через осерадиальное уплотнение. Рис. 6. Зависимость коэффициента расхода от ширины средней камеры Рис. 7. Зависимость коэффициента расхода от шага между усиками уплотнения Рис. 8. Влияние теплового расширения на коэффициент расхода Рис. 9. Интерфейс программы «Clearance» АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2015, Т. 18, № 3 30 Литература 1. Щегляев, А. В. Паровые турбины (теория теплового процесса и конструкции турбин): Учеб. изд. 5-е / А. В. Щегляев. – М.: Энергия, 1976. – 58 с. 2. Бондаренко, Г. А. Исследование течения в лабиринтном уплотнении / Г. А. Бондаренко, В. Н. Бага // Вісн. НТУ «ХПІ». Сер. Енергетичні та теплотехнічні процеси й устаткування. – Харків : НТУ «ХПІ», 2015. – № 15 (1124). – С. 23–31. 3. Rechtschaffner, R. L. Saturated fractions of 2n and 3n factorial designs / R. L. Rechtschaffner // Technometrics. – 1967. – Vol. 9. – P. 569–575. 4. Бойко, А. В. Повышение точности формальной макромодели при планировании эксперимента / А. В. Бойко, А. П. Усатый, В. С. Баранник // Энерг. и теплотехн. процессы и оборудование. Вестн. НТУ «ХПИ». – Харь- ков : НТУ «ХПИ». – 2013. – № 5. – С. 5–9. Поступила в редакцию 12.09.15

Ähnliche Einträge