Уменьшение радиальной неравномерности температур дисков роторов газотурбинных двигателей


(шктопошшго шцкшшого wiiwkntcbi HAENIOI ШРГН ТВ ПРОИН01ШСП

С 232
УДК 621.311



            С 232          Зб1рник наукових праць СНУЯЕтаП. - Севастополь: СНУЯЕтаП,
            2008. - Вип. 4 (28). - 240 з.: Li.



               У зб!рник включен! статп, присвячеш актуальним питаниям сучасноТ енергетики. Зб1рник складаеться is семи роздипв: «Удосконалення устаткування теплових i атомних енергоустановок», «Еколопчна безпека», «Загальнонауков! i спещальш досл1дження», «Не-традищйш i поновлюваш джерела енергп», «Цившьна оборона», «Електрична частина АЕС», «Прикладна ф!зика i математика».
               Призначений для науковщв, шженер!в i фах1вшв, що працюють на тдприемствах i в оргашзащях енергетики Укра'ши, acnipairriB i студенпв техшчних вуз!в.


                          Р ед а к ц i й н а к о л е г i я:


               Слйрнов С.Б. (вцщовщальний редактор), к.т.н., професор;
Д1в1зшюк М.М. (заст. вщповщального редактора), д.ф.-м.н., професор;
                Коваль В. О. (вщповщальний секретар), к.т.н., доцент;
          Пучков В.М., д.т.н., професор; Маньковсъкий В.А., д.т.н., професор;
           Лебедев А.А., д.т.н., професор; Булах С.Г., д.ф.-м.н., професор;
          Вовк I.B., д.ф.-м.н., професор; Гринченко ВТ., д.ф.-м.н., професор;
          Шуман В.М., д.ф.-м.н., професор; Ожиганов Ю.Г., д.т.н., професор;
          Клементьев М.Ф., д.т.н., професор; Сафонов В.О., д.т.н., професор;
           1браглмов Ю.1., д.мед.н., професор; Попов I.O., д.т.н., професор;
          Журип Б.О., д.ф.-м.н., професор; Кирияченко В.О., к.т.н, професор;
          Просужих Р.П., к.т.н, професор; Прусов В.М., к.ф.-м.н., професор;
          Запсвалов О.С., к.ф.-м.н., с.н.с.; Мирошниченко С.Т., к.т.н., доцент;
             Назаренко В.М., к.т.н., доцент; Путшн КП., к.т.н., доцент;
           Азаренко О.В., д.ф.-м.н., професор; Акимов О.М., к.т.н., доцент;
                Маловик К.М., к.т.н., доцент; Попов В.П., к.т.н., с.н.с.


            Адрес редколегн:


99033, м. Севастополь-33, вул. Курчатова-7, СНУЯЕтаП, тел. (0692) 71-00-58, факс (0692) 71-01-38

           Свщоцтво про державну реестращю cepin КВ№ 11381-254 Р
                '             в!д 22 червня 2006 р.
Зб1рник внесено в перед 1к ВАК Украйш (Додаток до постанови президп
ВАК Укра'ши № 1-05/7 вщ 18.01.2007 р.)


Затверджено до друку Вченою радою СНУЯЕтаП




ISBN 966-7717-39-9

© Видання СНУЯЕтаП, 2008

Удосконалення устаткування теплових i атомных енергоустановок 47

     5.      Cummins W.E. Westinghouse АР1000 Advanced Passive Plant / W.E. Cummins, R.P. Vijuk, T.L. Schulz 11 Proceedings of 1CAPP ’05. 2005 Int. Congr. on Advances in Nuclear Power Plants. Seoul, KOREA, May 15 - 19, 2005. Paper 5670. - 10 p.
     6.      Исаев A.H. Французский компактный реактор SCOR тепловой мощностью 2000 МВт // Атомная техника за рубежом. - 2006. - № 11. - С. 9 -17.
     7.      Зродников А.В. Модульные многоцелевые свинцово-висмутовые быстрые реакторы для ядерной энергетики / А.В. Зродников, Г.И. Тошинский, О.Г. Григорьев и др. // Теплоэнергетика. - 2005. - № 1. - С. 16-24.
     8.      Свириденко И.И. Автономные пассивные системы отвода остаточного тепловыделения ВВЭР на основе теплообменного оборудования с низкотемпературными тепловыми трубами / И.И. Свириденко, В.Г. Кравченко, С.О. Ветчинкин // Матер. 4-й Междунар, науч.-техн. конф «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». - ФГУП ОКБ «Гидропресс», Подольск, Россия, 2005. - 14 с.
     9.      Publication of lAPWS-sponsored book Aqueous Systems at Elevated Temperatures and Pressures: Physical Chemistry in Water, Steam and Hydrothermal Solutions [Электронный ресурс]. - The International Association for the Properties of Water and Steam: Режим доступа: http://www.iapws.org/.


Надшшла до редакцп 17.11.08 р.



УДК 21.438:536.24





                УМЕНЬШЕНИЕ РАДИАЛЬНОЙ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ТЕМПЕРАТУР ДИСКОВ РОТОРОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ





            Н.Н. Салов, А.А, Харченко



             Севастопольский национальный технический университет



      Рассмотрена проблема уменьшения радиальной неравномерности температурных полей в дисках роторов ГТД дискобарабанной конструкции посредством устройств, использующих динамический напор осевого потока охлаждающего воздуха. Экспериментально установлено, что наиболее эффективное уменьшение радиальной неравномерности температуры обеспечивается для экранированного диска с эжекторными каналами. На основе экспериментальных данных получены расчетные формулы для вычисления температуры вдоль радиуса экранированных и неэкранированных дисков.



                          Постановка проблемы



     Создание конкурентоспособных газотурбинных двигателей (ГТД) требует реализации высоких параметров термодинамического цикла, то есть увеличения температуры газа перед турбиной наряду с увеличением степени повышения давления воздуха в компрессоре.
     Высокие значения параметров цикла влияют на температурное состояние дисков роторов компрессора и турбины. Наиболее распространенной конструкцией ротора

Зб1рник наукових працъ СНУЯЕтаП

ГТД является дискобарабанная, состоящая из отдельных секций, имеющих диски, соединенные проставочными кольцами. Перепад температур по радиусу дисков последних ступеней осевых компрессоров высокого давления транспортных ГТД может составлять 200...400 К. Напряжения, вызванные радиальным градиентом температуры, существенно влияют на величину и распределение суммарных напряжений в диске, особенно на нестационарных режимах работы. Таким образом, существует проблема негативного влияния высоких параметров цикла на термонапряженное состояние дисков роторов.



            Анализ известных исследований



    Для снижения температурных напряжений в дисках применяются различные

схемы подвода охлаждающего воздуха в междисковые полости роторов [1].

Наибольший эффект достигается при обдуве диска одноступенчатой турбины высокого


давления, в то же время градиенты температур в дисках роторов осевых компрессоров и многоступенчатых турбин дискобарабанной конструкции при существующих схемах охлаждения ротора остаются достаточно высокими из-за «холодной» ступицы диска.



            Решение проблемы



     Для решения проблемы уменьшения радиальной неравномерности температур в дисках роторов ГТД были решены следующие задачи:
     -      разработаны конструкции устройств, уменьшающих неравномерность температуры по радиусу диска посредством переноса теплоты к ступичной части диска;
     -      экспериментально исследовано распределение температуры вдоль радиуса диска с устройствами, использующими динамический напор осевого потока воздуха, отбираемого на охлаждение двигателя;
     —      обобщены результаты эксперимента и получены расчетные зависимости для описания температурного состояния экранированных дисков с эжекторными устройствами и неэкранированных дисков роторов ГТД, охлаждаемых осевым потоком воздуха.
     Исследования выполнялись на экспериментальной установке [2], рабочий участок которой представлял собой модель пятиступенчатого ротора осевого компрессора с прокачкой отбираемого на охлаждение турбины воздуха через внутренние полости ротора (рис. 1; стрелками здесь и далее показано направление движения воздуха).

Рис. 1. Экспериментальная установка: а — общий вид; б — рабочий участок: 1 - полувал левый; 2 - барабан; 3 - диск; 4 - проставочное кольцо; 5 - внутренний электронагреватель; 6 — внешний электронагреватель; 7 — защитный кожух;
8 — центральный вал; 9 — медно-графитовые щетки; 10 — полувал правый;
11 - воздухоподводящее уплотнение

Удосконалення устаткування тепловых i атомных енергоустановок 49

     Исследовалось температурное состояние дисков с устройствами, использующими динамический напор осевого потока охлаждающего воздуха для воздействия на контуры циркуляции, возникающие в междисковых полостях под действием массовых сил. Варьировались плотность теплового потока, расход охладителя и угловая скорость вращения ротора рабочего участка.
     Результаты экспериментов показали, что устройства, изменяющие направление течения осевого потока (рис. 2), являются малоэффективными, так как динамического напора недостаточно, чтобы воздух, направляемый воздухораспределителями в полость, повлиял на распределение температуры по радиусу диска.

Рис. 2. Схемы рабочих участков с устройствами, изменяющими направление осевого потока охлаждающего воздуха: а - гребешкового типа; в - с петлевой схемой течения

     Наименьший перепад температур по радиусу диска обеспечивался устройствами, принцип действия которых основан на эжекции из междисковой полости ротора горячего слоя, который формируется на поверхности проставочных колец и диска [3, 4]. Эжекторное устройство образует с центральным валом суживающийся канал, в котором скорость осевого потока охлаждающего воздуха возрастает. Активный осевой поток создает разрежение, посредством которого осуществляется эжектирование разогретого воздуха из полости ротора.
     Температурное состояние дисков с исследованными вариантами конструкций показано на рис. 3.
     Наименьший перепад температуры по радиусу диска имеет полностью экранированный диск с эжекторными каналами, расположенными в кольцевом зазоре под ступицей диска (рис. 4).
     На основе выполненных экспериментальных исследований получены зависимости для расчета распределения температур по радиусу неэкранированных дисков и экранированных дисков с эжекторными каналами. Безразмерная температура Э на среднем радиусе z-ro расчетного участка изменяется по зависимости

\т

Зб1рник наукових працъ СНУЯЕтаП

      tj - температура /-го расчетного участка диска;
      tB - температура охлаждающего воздуха под ступицей диска, °C;
     /тах - температура газа в проточной части, для осевого компрессора определяется по степени повышения давления воздуха в данной ступени, °C;
       г - средний радиус расчетного участка, м;
     г max - внешний радиус диска, м.


80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

Рис. 3. Температурное состояние диска с эжекторными устройствами: 1 - полное экранирование диска с эжекторными каналами; 2 - при наличии отверстий на периферии экрана; 3 - экранирование ступицы и 2/3 полотна диска; 4 - без устройств в полости ротора

Рис. 4. Экранированный диск с эжекторными каналами

Удосконалення устаткування тепловых i атомных енергоустановок 51

     Величина показателя степени т для i-го участка неэкранированного диска опре
деляется по формуле

w = C/?e^-(p-Az)v,


            со-г где Re^ =------

     о - угловая скорость вращения ротора, с ;

     гп - радиус полости, м;
      Р - коэффициент температурного расширения воздуха, К'¹;

      /\/ — t — t *
      /_xt L max в ’
      коэффициент С и показатели степени х, у определяются по опытным данным для каждого расчетного участка диска.
      Зависимость (1) может быть представлена в виде

(3)

     Для экранированного диска с эжекторными устройствами показатель степени в формуле (3) учитывает влияние экранирования и осевого потока охладителя на распределение температуры вдоль радиуса:



т£=  • Re
(4)


      „ w-d₃K„                    „
      Ке₇ =------— - осевое число Рейнольдса;
                v

       w - скорость осевого потока охлаждающего воздуха в кольцевом канале, образованном экраном с эжекторными каналами и центральным валом, м/с;
     d₃Kₑ - эквивалентный диаметр кольцевого канала, м;

         v - кинематическая вязкость воздуха, м²/с;


- степень экранирования диска,


        гп - радиус междисковой полости, м;
      Fₘₐₓ - площадь поверхности диска, м²;
        F - площадь свободных от экранирования участков диска, м²;
        R - радиус подвода воздуха к охлаждаемой части диска (в зазор между экраном и диском), м;
      Fₘₐₓ ~ площадь поверхности диска, м.
    Ci, а, b - коэффициент и показатели степени для соответствующего расчетного участка диска.
     Полученные зависимости, учитывающие степень экранирования диска и скорость потока эжектирующего воздуха, позволяют на стадии проектирования выбрать параметры, обеспечивающие приемлемое по условиям прочности распределение температуры по радиусу диска.

Зб1рник наукових працъ СНУЯЕтаП



            Выводы и направление дальнейших исследовании

            в данном направлении



     Проблема значительных перепадов температур по радиусу дисков роторов ГТД дискобарабанной конструкции может быть решена посредством воздействия на контуры циркуляции, которые возникают в междисковых полостях. Экспериментально установлено, что эффективно уменьшают радиальный перепад температуры устройства, принцип действия которых основан на эжекции из полости ротора горячего слоя, формирующегося на поверхности проставочных колец и диска, что способствует разогреву ступичной части диска. Предложены зависимости, позволяющие осуществить расчет



распределения температуры по радиусу дисков, оснащенных эжекторными устройствами для уменьшения неравномерности распределения температуры. В дальнейшем предполагается исследовать температурное состояние дисков роторов на нестационарных режимах.



ЗМЕНШЕННЯ РАД1АЛЫЮ1 HEPIBHOMIPHOCTI ТЕМПЕРАТУР ПОЛ1В В ДИСКАХ POTOPIB ГАЗОТУРБ1ННИХ ДВИГУШВ


            М.М. Салов, А.О. Харченко



      Розглянуто проблема зменшення радиально!' нер!вном1рност1 температурних пол!в в дисках ротор1в ГТД дкькобарабанной конструкцп за допомогою пристроив, що використовують динам!чний тиск осьо-вого потоку охолоджуючого повггря. Експериментально встановлено, що найбшьш ефективне зменшення рад1ально!' нер1вномгрност1 температуря забезпечусться для екранованого диска з ежекторними каналами. На основ! експериментальних даних одержан! розрахунков! формули для обчислення температури уздовж рад!усу екранованих i неекранованих дисюв.


DECREASING TEMPERATURE NONUNIFORMITY ALONG THE RADIUS OF DISKS IN THE GAS TURBINE ENGINES ROTOR DISKS


            N. Salov, A. Kharchenko



       The article is devoted to the problem of decreasing temperature fields nonuniformity along the radius of disks in the disk-drum GTE rotor disks by means of devices using dynamic pressure of axial cooling air stream. As a result of executed experimental researches it is exposed, that the most effective reducing of temperature nonuniformity along the radius of disk is provided by shielding of disk with the ejector cavities. On the basis of experimental data formulas for the computation of temperature along the radius of the shielded and unshielded disks are obtained.



            Список использованных источников



     1.     Локай В. И. Теплопередача в охлаждаемых деталях газотурбинных двигателей / В.И. Локай, М.Н. Бодунов, В.В. Жуйков, А.В. Щукин. - М.: Машиностроение, 1993. - 288 с.
     2.     Харченко А.А. К управлению температурным состоянием дисков роторов осевых компрессоров ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. -№ 10.-С. 170-172.
     3.     Пат. № 77163 Украша, МПК F02C 7/12. Ротор турбомашини з комбшованим прокачуванням пов!тря / М.М. Салов, А.О. Харченко; заявник та патентовласник Сева-стопольський нацюнальний техшчний ушверситет. - № 2003043991; заяв. 30.04.2003; опубл. 15.11.2006, Бюл. №11.
     4.     Пат. № 77949 Украша, МПК F02C 7/12, F01D 5/02. Екранований ротор турбомашини з осьовим прокачуванням повпря / М.М. Салов, А.О. Харченко, Г.В. Горобець; заявник та патентовласник Севастопольський нацюнальний техшчний ушверситет. -№ 2003044016; заявл. 30.04.2003; опубл. 15.02.2007, Бюл. № 2.


Надшшла до редакцп 30.10.08 р.