Optimizarea eficienței LPT (Turbina de Joasa Presiue) necesită minimizarea scurgerilor fluxului de aer între părțile statice și părțile rotative. În primul rând, fluxul de aer care nu trece prin paletele rotorului nu lucreaza în LPT, ceea ce reduce performanța LPT. În al doilea rând, reintroducerea fluxului de aer în fluxul de lucru conduce la pierderi locale de presiune, ceea ce scade performanța LPT. Problemele de integrare, condițiile ridicate de temperatură de funcționare și cerințele de robustete conduc la proiectarea unor etansari cu labirinti rotativi, atat în partea de varf a paletelor cat și sub distribuitori.
Fig.2 Vedere schematică a fluxurilor de aer baipasate în LPT
Etansarile cu labirinti sunt cele mai cunoscute etansari ale căilor fluxului de aer aplicate motoarelor cu turbină. Ele constau din mai multe varfuri ascutite, de obicei cinci, cu un joc liber la varf de (0,25 până la 0,50 mm) într-o serie de configurații (Fig.2). Etansarile cu labirinti se bazează pe controlarea scurgerilor care traverseaza labirintul. Aceasta este determinată de diferența de presiune dintre capetele etanșării. Proiectarea etansarii obligă fluxul de aer să se separe la varful dintelui de labirint, provocând o pierdere de energie cinetică și de presiune, din fluxul de total. Acest lucru se repetă la dintele următor și așa mai departe până când scurgerea de gaz ajunge la ieșirea din etansare. Aplicațiile actuale de etanșare cu labirinti rotativi pot suporta temperaturi de până la 700 ° C și diferențe de presiune de până la 30 de bari. Totusi, vibrația arborelui poate determina ca partile rotative ale etansarii sa frece sau sa muște din partea statorica, crescând fluxul și reducând eficiența de etanșare. Progresele actuale ale etansarilor cu labirinti se concentrează pe utilizarea muchiilor abrazive și a unor invelisuri ceramice de sacrificiu pentru a reduce rata de scurgere, permițând aparitia frecarii. Proiectarea și optimizarea etansarilor cu labirinti rotativi se bazează pe caracteristicile pierderii de presiune (reducerea debitului în funcție de raportul de presiune) care iau în considerare geometria etanșării și viteza rotorului.
Safran Aircraft Engines a dezvoltat un model numeric pentru a calcula caracteristicile pierderii de presiune ale etansarilor cu labirinti (Fig.3) și acest model a fost validat partial prin teste pentru o gamă largă de configurații.
Safran Aircraft Engines a dezvoltat un model numeric pentru a calcula caracteristicile pierderii de presiune ale etansarilor cu labirinti (Fig.3) și acest model a fost validat partial prin teste pentru o gamă largă de configurații.
Fig.3 Model numeric al caracteristicilor pierderii de presiune dezvoltat de Safran Aircraft Engines
Liderii ITD Engine sunt cei care vor efectua principalele activități legate de dezvoltarea și demonstrarea tehnologiei cu turbină LP în cadrul ITD. Se așteaptă ca o parte (task dedicat) din activități să fie realizate de COMOTI prin intermediul acestei propuneri. Faza de proiectare detaliată a turbinei LP va fi finalizată cu rezultatul proiectului AIRSEAL, consolidat cu infrastructura INFRASEAL (Nivel de Maturitate Tehnologică TRL 5) pentru a lansa faza pentru fabricarea de componente. Astfel, va începe fabricarea pieselor necesare pentru demonstratorul la sol (TRL 6) al motorului. Se vor face studii suplimentare de proiectare pentru îmbunătățirea componentelor turbinei cu gaz. Obiectivele sunt de a valida o reducere de 15% a CO2 față de 2000.
Infrastructura de cercetare experimentală existentă în cadrul COMOTI, constă dintr-un complex termogazodinamic integrat pentru studiul și experimentarea camerelor de ardere cu combustibili lichizi, gazosi, biomasa sau derivati (biocombustibili), studiul transferului de căldură, acoperiri cu rezistență termică, și studiul motoarelor cu turbină cu gaz, industriale sau micromotoarelor de aviatie care utilizează combustibili lichizi, gaze sau biomasă (biocombustibili). Totuși, complexul termogazdinamic trebuie asistat în timpul experimentării de către o stație externa de alimentare cu aer, care nu aparține COMOTI și nu este ușor disponibila. Instalațiile proprii COMOTI sunt capabile să asigure presiunea aerului și debitul masic al acestuia de la un compresor de aer cu urmatorii parametri: presiune până la 21 bari și debit 0,35 kg/s la 20oC. Aerul care alimentează linia experimentală trece mai întâi printr-un uscător de aer (dezumidificator) și după acesta este depozitat într-un rezervor tampon, urmat de o succesiune de supape și valve (electrice sau electropneumatice), care sunt controlate centralizat. Reglarea temperaturii până la 700 ° C este asigurată cu un încălzitor electric de 192 kW Inline OSRAM SYLVANIA, prin ventilația camerei climatice, cu fluxuri mici de masă de aer, care asigura uniformitatea temperaturii, procesul fiind monitorizat și controlat de calculator.
Linia modernizată de alimentare cu aer poate asigura un debit masic de până la 10 kg/s, presiuni de până la 50 bari și temperaturi ale aerului de până la 350 oC. Linia de aer poate fi echipată cu o camera de ardere care poate fi alimentată fie cu gaz natural, fie cu combustibil lichid, capabila să ridice temperatura fluidului de lucru până la 800 oC. Este important de menționat că dacă combustibilii menționați mai sus vor fi folosiți pentru încălzirea fluidului până la temperatura dorită (până la 800 °C), fluidul de lucru nu mai este aer pur, ci un amestec de gaze arse și aer.
Pentru studiul experimental al etansarii cu labirinti cu debit masic ridicat, capacitățile infrastructurii de cercetare experimentală vor fi extinse printr-o actualizare a instalației experimentale existente, prin proiectarea, construirea și punerea în funcțiune a următoarelor facilități (Fig.4):
Conform limitelor bugetare la momentul execuției proiectului, se poate lua în considerare o extindere în două etape (prima etapa - prima linie, a doua etapa - a doua linie). În Fig.4 este prezentată o diagramă schematică a facilităților propuse pentru caracterizarea etansarilor cu labirinti rotativi.
Fig.4 Schema instalațiilor INFRASEAL propuse pentru caracterizarea etansarilor cu labirinti rotativi
Performantele infrastructurilor propuse și existente sunt rezumate în Tabelul 1.3.1
Table 1.3.1 Caracteristici tehnice existente și propuse ale infrastructurii de testare cu aer COMOTI
| Parametru | Facilitati existente | Facilitati propuse |
|---|---|---|
| Debit masic | 0.35 kg/s | 10 kg/s |
| Presiune | 15 bar | 50 bar |
| Temperatura | 150 oC | 800 oC |
| Diametrul maxim al etansarii cu labirinti | 300 mm | 600 mm |
Infrastructura vizată va fi instrumentată cu o serie de senzori pentru presiunea statică și totală, temperatura statică și totală și temperatura suprafetelor. Echipamentele de măsurare existente constau în sonde și senzori de temperatură, presiune, raclete de temperatură, termorezistențe, debitmetre Venturi, precum și echipamente avansate de măsurare care vor fi utilizate pentru determinarea câmpului de viteză tridimensional instantaneu (Partical Image Velocimetry - PIV), câmpul de temperatură mediu (termometrie Rayleigh) sau câmpul de concentrație de NOx (fluorescență indusă cu laser - LIF).
Această infrastructură de cercetare va fi extinsă în proiect prin achiziționarea și punerea în funcțiune a unor noi instalații, mașini, echipamente și instrumente independente, de cercetare și experimentare, dedicate caracterizării fluxurilor de aer mari dar și studiilor avansate ale camerelor de ardere:
Sistem de măsurare a presiunii și temperaturii de mare viteză, inclusiv sonde, traductoare, sisteme dinamice de calibrare și conectare la computerul central al standului de testare;
Echipamente de măsurare a debitului de aer și combustibil (lichid și gazos) de înaltă precizie pentru temperaturi și presiuni ridicate;
Modernizarea sistemului de măsurare a vitezei instantanee LASER PIV pentru măsurările tomografice într-un volum tridimensional și pentru fluxurile de viteză mare și foarte mare, inclusiv sistemul de însămânțare a fluxului;
Actualizarea sistemului LASER PLIF de măsurare a fluxului de aer turbulent si a concentrațiilor instantanee de radicali liberi pentru măsurători tomografice în volum tridimensional și calibrare a temperaturii prin spectroscopie RAMAN;
Sistem de vizualizare a fluxului de mare viteză Schlieren, cameră video de mare viteză și boroscoape pentru lumină vizibilă și ultravioletă;
Sistem de anemometrie cu fir de înaltă frecvență pentru măsurarea vitezei instantanee;
Sistem de termo-viziune în infraroșu;
Sisteme de măsurare pentru forță și deplasare și vibrații de înaltă și joasă frecvență;
Sisteme de înaltă precizie, automatizate, de comandă și control pentru poziționarea aerului în direcția fluxului și a sondei în câmpul experimental;
Sistem de achiziție a datelor de mare viteză, multicanal;
Sisteme acustice de monitorizare și amortizare a zgomotului;
Software de comandă și control pentru instalația experimentală și software de analiză a datelor pentru analiza datelor experimentale.
În Fig.5 este prezentată o schita cu vederea generală a instalațiilor existente și propuse pentru caracterizarea etansarilor cu labirinti rotativi.
Această infrastructură de cercetare va fi extinsă în proiect prin achiziționarea și punerea în funcțiune a unor noi instalații, mașini, echipamente și instrumente independente, de cercetare și experimentare, dedicate caracterizării fluxurilor de aer mari dar și studiilor avansate ale camerelor de ardere:
În Fig.5 este prezentată o schita cu vederea generală a instalațiilor existente și propuse pentru caracterizarea etansarilor cu labirinti rotativi.
Fig.5 Vedere generală a instalațiilor existente și propuse pentru caracterizarea etansarilor cu labirinti rotativi
Table 1.3.2 List of related research projects over the last decade
| Project | Type | Connection to the project |
|---|---|---|
| AIRSEAL - Airflow characterization through rotating labyrinth seal, on-going project | H2020 – Clean Sky 2 | Development test bench, testing different labyrinth seal configurations, processing experimental data in order to determine the pressure loss characteristics for different rotor speeds and different radial clearances at different temperature and different pressure ratios. |
| InnoSTAT - Innovative low noise fan stator technologies for 2030+ power plants, on-going project | H2020 – Clean Sky 2 | Testing and improving the technologies concepts on small scale prototype level, down selection of the technologies for further test on large scale, each as a fully equipped stator stage, and finally selection the demonstrators to be manufactured and perform an integration study regarding engine environment. Its contribution to the noise reduction on Ultra-advanced Long-range and Ultra-advanced Short/Medium-range will be significant. |
| ESPOSA - Efficient Systems and Propulsion for Small Aircraft | FP 7 | Experimental development of the Jet Induced Swirl (JETIS) combustor sector, including LASER diagnostics |
| ELTESTSYS - Electrical test bench drive systems: mechanical interfaces | FP 7 – Clean Sky 1 | Test bench with four complete and identical Driving Systems for testing the aircraft generator or starter/generator which can function simultaneously or not, independently and/or interdependently, locally or remote controlled. The maximum torque is 100 Nm and the maximum speed is 22000 RPM, in four quadrants functioning. |
| LEMLES - Development, Implementation and Experimental Validation on a Combustion Chamber Functional Model of a Numerical Algorithm for Simulating Complex Reactive Turbulent Flows | National | Development, testing and implementation of the numerical code to be used in the project, high accuracy numerical simulation of validation combustor turbulent reactive flow using the same code, combustor flow experimental measurements for code validation. |
| ITACA - Analysis and control of thermo-acoustic instabilities in aircraft gas turbine engine combustors | National | Experimental measurements of thermo-acoustic instabilities in combustors. |
| TEENI - Turboshaft Engine Exhaust Noise Identification | FP 7 | Experimental measurements of hot flow downstream of the combustion chamber using the thermo- gas-dynamic complex to be used in the project. |
| TURIST – Gas turbine with in-situ combustion | National | Development and numerical and experimental validation of turbine combustor. |
| GAPP – Aerosol generator for plant protection against diseases and pests developed based on aeronautical technologies | National | Experimental studies on aerodynamic aerosol generator. |
| DEVPUMP – Advanced strategic planning of the development of a turbopump system for a liquid fuel propelled rocket engine | ESA / National | Theoretical analyses of hydrogen supersonic turbo pumps equipping rocket launchers satellites |
| TRIPLUFLUX – Advanced solution for noise reduction in passenger transport aircraft engines | National | Numerical analysis of thermo-acoustic instabilities |
| OPA – Optimization of air jet pump design for acoustic application | FP7 – Clean Sky | Numerical and experimental analysis of jet noise |
| ABRANEW – Innovative abradable/abrasive materials for improved energy efficiency in gas turbines | FP 5 | Numerical studies of gas turbine engine compressor aerodynamics |
Politicile generale privind egalitatea de gen sunt implementate în COMOTI și nu se așteaptă ca proiectul să genereze probleme specifice. Distribuția de gen atât în echipa de cercetare, cât și în echipa de conducere, precum și pe poziția de coordonator al proiectului, se bazează numai pe meritul științific, cu o părtinire recunoscută de promovare a tinerilor cercetători, indiferent de sex, precum și de religie, etnie sau opinii politice. Strategia de recrutare în proiect va respecta Recomandările Comisiei Europene din 11 martie 2005. Reprezentarea fizică și grafică a distribuției de gen în materialul de difuzare va reflecta doar contribuția personală, indiferent de sex. Considerații suplimentare pe această temă sunt prezentate în secțiunea de diseminare a propunerii.
Exemplu de simulare a curgerii prin etansarea cu labirint rotativ
| Radial clearance | 0.3 mm | 0.5 mm | 0.8 mm | 1.5 mm |
|---|---|---|---|---|
| Numerical mass flow (kg/s) | 0.1698 | 0.2736 | 0.4428 | 0.816 |
| Analytical mass flow (kg/s) | 0.1584 | 0.2569 | 0.4107 | 0.7682 |
| Difference (%) | 6.7% | 6.1% | 7.2% | 5.8% |
Valori ale debitului de aer obtinute prin simulare pentru diferite valori ale distantei la varful paletei
