ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 132
Скачиваний: 1
Это свойство обнаруживают также и жидкости разной вязкости при высокоскоростном взаимодействии с поверхностью образца. Широко известны иллюстрации характера деформации и разру шения жидкости при поперечном ударе о цилиндрический стер жень жидкой вязкой струи из смеси канифоли с трансформатор-
Рис. 11.4. Пластическое (а) и хрупкое (6—5) раз рушение жидкой струи:
а — и — 19 м/с; р/ = = 0 ,5 кПа ■с; б—и= 23 м/с, р ' = 0,3 кПа-e; в — v = = 300м/с, р' = 0,02 кПа- с;
г — щ = 80 м/с, |
р' = |
|||
= |
10~3 |
Па с; |
д — щ = |
|
= |
65 |
м/с, |
р ' = |
10~3 |
Па-с — вода, напор струи
60кПа:
/— струя; 2— образец; 3— пуля; 4 — разлетающиеся капли; 5 — отсеченная часть струи; 6 — растекающаяся часть торца струи при ударе
одержавку образца
ным маслом (вязкость 0,5 кПа-с — консистенция меда или па токи) (рис. II.4). Для скоростей движения стержня меньше 23 м/с (рис. II.4, а) струя деформировалась пластически. Свыше 23— 30 м/с наблюдалось хрупкое разрушение струи вязкой жидкости (рисЛ1.4, б). Опыты с разрушением вязких и маловязких тонких струй жидкостей с коэффициентами динамической вязкости от 10~14 до 10“ 3 кП а-e при ударе о струю пули, летевшей со скоростью
около |
300 м/с, показали только |
хрупкое разрушение |
струи |
|||
(рис. |
II.4, |
в). |
Хрупкое разрушение |
наблюдалось |
и при |
ударе |
образца о поверхность струи воды (рис. II.4, г, д). |
При испыта |
|||||
нии |
скорость |
движения образца |
в показанных |
фрагментах |
||
(рис. |
II.4, |
д) была в пределах 80 м/с. |
|
|
||
При ударе образца о струю образуются потоки разлетающихся мелких капель (рис. II.4, в—д), движущихся со значительными скоростями, например для рис. II.4, а, по данным [68 ] , _ около 1000 м/с. В высокоскоростных потоках капель, являющихся
63
результатом выдавливания жидкости из-под ударяющейся и поджатой струи воды, содержатся и капли — осколки от хруп кого разрушения.
Особенно четко иллюстрируют хрупкий удар три кинокадра удара образца о водяную струю (рис. II.4, д) [29]. При напоре воды 60—80 кПа и линейной скорости образца 30—80 м/с струя при соударении перерезалась без заметного искривления. На кадре I показан подход образца 2 к струе 1. На кадре II образец вошел в струю, образовав быстролетящий поток капель 4. На кадре III образец перерезал струю и образовал отсеченную часть струи 5, немного смещенную от оси струи по ходу образца. Рас плющивание торца среза 6 вытекающей из насадка струи вызвано растеканием струи по торцовой поверхности держателя образца.
Рассмотренные результаты хрупкого пересекания сплошной или начавшей распадаться на капли струи могут быть приме нены и к влажнопаровой турбинной ступени в случае анализа характера движения парокапельных потоков. В общем случае в турбинной ступени имеются струйные и капельные потоки, пересекаемые вращающимися деталями. Например, кромочные парокапельные следы лопаток направляющего аппарата пере секаются вращающимися рабочими лопатками. Водяные струй ные жгуты в области схода вторичных токов с выходных кромок направляющего аппарата также пересекаются рабочими лопат ками, вращающимися с высокими окружными скоростями, при которых пересечение струйно-капельных потоков будет проис ходить с проявлением жидкостью хрупких свойств.
Г Л А В А III
ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТАХ
Многие вопросы оценки возникновения мест и развития эро зии во времени могут быть решены на основе данных расчета движения капельно-пленочной влаги в элементах проточной части турбин. Рассмотрение основных теоретических положений обра зования, движения и взаимодействия капельно-пленочной влаги с элементами проточной части позволит достаточно полно обос новать выдвинутую точку зрения на природу возникновения
иразвития эрозии.
17.ОБРАЗОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ВЛАГИ
Сточки зрения капельной эрозии большой интерес представ ляет зона расширения пара в турбине, расположенная значительно ниже линии насыщения. Общеизвестен факт задержки конденса
ции пара при быстром протекании процесса расширения [20] и возникновения переохлаждения пара. В зависимости от скоро
сти расширения пара, характеризуемой скоростью уменьшения энтальпии или давления
• __ _1_ di __ k — 1 1 dp |
_ j |
||
i dx |
k |
p dx •' |
C |
начало конденсации пара характеризуется различным положе
нием |
точки |
процесса в |
г, |
s-диаграмме. |
При j < |
2,5 |
процесс |
|
расширения |
происходит |
практически равновесно. |
Для |
2,5 < |
||||
< / < |
2,5-104 наблюдается |
существенное |
отклонение от |
равно |
||||
весного расширения. Для |
/ > 2 ,5 - |
10Б расширение пара в каналах |
||||||
существенно |
неравновесное. |
При |
переходе линии |
насыщения |
||||
с переохлаждением не происходит выделения скрытой теплоты парообразования. Располагаемая работа переохлажденного пара меньше, а температура ниже, чем при равновесном расширении. Удельный объем переохлажденного пара будет меньше, чем при равновесном состоянии для одинаковых начальных параметров и конечных давлениях процесса расширения. Величина переох лаждения АТ = Ts —- Т может быть найдена с помощью формулы Кельвина, определяющей радиус капли чистой, свободной of
5 И . П . Ф аддеев |
65 |
электрических зарядов воды в зависимости от перенасыщения plps, температуры пара и физических констант воды
I = 2ст (p'RT In plps) - \ |
(III.l) |
откуда |
|
T = 2а (p'Rl In р/р,)-1 и АГ = Ts - 2о (p'Rl |
In p/ps). |
Переохлаждение может быть также оценено по приближенной формуле Френкеля А Т = 2Та (rp'£)_1.
При равновесии фаз между каплей и паром, т. е. вполне опре
деленном переохлаждении |
А Ткр или перенасыщении |
(p/ps)KP |
|||
будет существовать капля критического радиуса |
| кр. |
Величина |
|||
критического |
радиуса капли может быть получена |
по |
(III. 1) |
||
подстановкой |
в него (р/р$)кр. |
Капли с радиусами |
£•< |
£кр окру |
|
жены паром, не насыщенным по отношению к ним, они будут испаряться. При £ >> | кр пар по отношению к каплям пересыщен, капли будут расти.
Наличие электрического заряда на зародышевых каплях или присутствие в конденсате примесей солей уменьшает упругость насыщенного пара вокруг зародышевых капель. Пересыщение пара у поверхности зародышевой капли снижается. Следова тельно, в паровых турбинах для условий последних ступеней ЧНД, где радиус зародышевых капель по (HI. 1) состав ляет (10-ь50)10-1 м, могут устойчиво существовать и более мелкие капли. Однако оценка влияния присутствия примесей на конден сацию во влажнопаровых ступенях по экспериментам разных авторов весьма противоречива. Поэтому в настоящее время влия ние на конденсацию примесей и электрических зарядов не учи тывается.
По опытам [8], наряду с другими факторами (чисел М, Re, формы канала) переохлаждение зависит также от начального перегрева пара АТ = Т 0 — Ts. При дозвуковых скоростях в сильно суживающихся соплах в потоке пара существует почти полное переохлаждение. Конденсация возникает в струе за соплом или на последующем участке течения с малыми градиентами ско рости. Для сверхзвуковых сопел переохлаждение также сохра няется полным. Оно достигает максимального значения ЛГшах, при котором возникает интенсивная конденсация. При этом поток переходит в состояние, приближающееся к термодинамическому равновесию. При наличии перед ступенью слабоперегретого пара вначале в соплах расширяется перегретый, затем переохлажден ный пар. В случае быстрого расширения влажного пара пар как бы затягивает свое состояние, т. е. является насыщенным переохлажденным. Тогда в соплах движется переохлажденный пар с водяными каплями, образовавшимися в местах термодина мического равновесия. Капли в любой точке по соплу имеют температуру выше температуры пара, они начнут испаряться, если их размер меньше критического.
66
Эксперименты [8] по расширению и конденсации пара в соплах позволяют представить механизм конденсации для дозвуковых и сверхзвуковых потоков. Для дозвукового режима работы сопла на некотором расстоянии за соплом в свободной струе происходит равномерная конденсация. При сверхзвуковом режиме механизм
Рис. III .1. Процесс расширения пара в сопле: а — i, |
s; б — р, v координатах; |
в — расчет изменения параметров пара в области |
скачка конденсации |
конденсации меняется. Переход через звуковую скорость сопро вождается значительным переохлаждением. После достижения предельного переохлаждения процесс расширения сопровождался лавинной (спонтанной) конденсацией с приближением процесса расширения к равновесному.
Процесс расширения слабоперегретого на входе в сопло пара
можно наглядно представить в |
координатах р, v и i, |
s. Для од |
||||
ного из режимов |
испытанного расширяющегося сопла с парамет |
|||||
рами пара на входе |
ро = |
14,4 |
МПа, То = 392 |
К от точки О* |
||
(рис. III. 1, а, б) |
в |
зоне I |
пар |
расширяется |
как |
перегретый. |
Переход линии насыщения |
(точка S) переводит |
пар |
в переохла |
|||
5* |
67 |
жденное состояние. Зона II (линия процесса 5Л) соответствует переохлажденному состоянию (у = 0). В точке А (точка Виль сона) начинается спонтанная конденсация. Зона III характери зуется образованием значительного количества центров конденса ции. Давление пара возрастает от ртп до ршю. Производная dy/dT для зоны III значительно больше производной dyJdT . Перед
спонтанной конденсацией переохлаждение равнялось АТ = Т%
(равновесная) — Т \ (неравновесная). После конденсации состоя ние пара становится равновесным. В точке В сохранилось неболь шое переохлаждение. В процессе расширения по ВС (зона IV) переохлаждение снижается на 1—2°, но в конце рассматриваемого участка сопла равновесного состояния пар не достигает. Если процесс расширения в сопле закончился в точке С (рис. III. 1, а— в), то за соплом восстановление равновесного состояния про изойдет по линии CD (зона V, dy/dT -» dyJdT). За счет нерав новесное™ процесса происходит недовыработка удельной работы.
Для вскрытия механизма образования эрозионноопасных ка пель важно оценить рост капель от зародышевых до более круп ных за счет конденсации на них пара. Эта задача решается для отдельного сопла и турбинной ступени в целом на основе кинети ческой теории фазовых превращений с использованием основных уравнений газовой динамики: неразрывности, количества движе ния, энергии, состояния, записанных применительно к движению двухфазной среды [20]. Перечисленные уравнения после решения
относительно приращений скорости, давления, плотности и температуры имеют вид:
ТГ = А [(1 - у ) ^ + (1 - B ) d y ] ; |
(III.2) |
dp |
( dF |
\ |
dy |
\ |
1 |
|
/1 |
dF |
dy (\ —В) ; |
(III. 4) |
|
~У |
\ F |
|
|
0 |
У)~р |
||||||
|
+ 1- у ) |
А |
|
л — |
|
|
|
||||
dT |
|
{ dF |
, |
dy |
\ |
|
|
|
|
|
|
т |
~ |
1 F |
^ |
1 - у ) |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Ш 2 |
j) |
dy, |
|
|
|
|
|
|
+ 0 |
- |
я ) ( 1 - у |
(III-5) |
||||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Л = |
[М2 |
- О - у ) ] - 1; |
в |
— |
|
di |
|
||||
|
|
|
|
|
|
r ~ У dy |
|
||||
В уравнениях (III.2)—(III.5) при машинном расчете величины дифференциалов могут быть заменены малыми приращениями на
68
конечном малом участке пути AS. Интенсивность изменения коли чества жидкой фазы в потоке может быть определена совместным решением уравнения для скорости образования центров конден сации в единице объема [23]
/ = |
0,798р'-1(Р ^ 1Т - 1)2(арУУ1в1)0'5е х р (-4 ,1 9 ^ 1Г - 1аЙР) (III.6) |
|
или |
в единице массы |
|
/ = 0,798р -1 |
(оЛОвУ)0'5 ехр (—4 ,1 9 ^ 7 Ч к Р) |
|
и формулы Кельвина |
(III. 1) для зародышевой капли. |
|
Скорость роста капель для микро- и макропроцессов опреде
ляется |
по формулам |
[23]: |
|
|
|
|
|
для |
Х/1 < |
1 |
|
|
|
|
—I |
|
d\ |
_ Ср р |
/ RT \в>5 |
|
__ |
2ст |
|
|
d? — Т У \ 2п ) |
I |
} |
Тр7 |
(III.7) |
||
|
|
||||||
для АД > |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
df* _ |
2%' ( Г — Т) |
|
(III.7а) |
|
|
|
|
dx |
|
гр' |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
в зависимости от отношения длины свободного пробега молекул пара к радиусу капли АД.
При решении системы уравнений (III.2)—(III.6) с учетом (III.7) приняты допущения о рассмотрении конденсации пара только на зародышевых каплях и об отсутствии скольжения между паром
и рассматриваемыми каплями. Результаты |
расчетов 1 для пря |
||
мого сверхзвукового сопла (рис. III. 1, в) |
показывают, |
что |
на |
сравнительно коротком участке за горлом |
сопла (As = |
80 |
мм) |
пар почти из полностью переохлажденного переходит в состоя ние, близкое к равновесному. При учете групп капель на том же
участке сопла радиусы капель |
увеличивались |
от зародыше |
вых 6П 0-4 мкм до 25-10-4 мкм. |
Интенсивность |
ядрообразова- |
ния за узким сечением на длине 50 мм сначала растет, затем, достигнув максимума, снижается. То же наблюдается для степе
ней перенасыщения и переохлаждения |
пара. Давление пара, |
||
снизившись до |
минимального значения |
65 кПа в |
точке А |
(рис. II 1.1, а—в), |
на длине 45 мм увеличилось до 76,7 |
кПа. Сум |
|
марная влажность от нулевого значения после фазового перехода увеличилась до 3,3%. Однако в конце расширения пара в сопле при небольшом переохлаждении имелся небольшой дефицит влажности — около 0,2%.
По той же системе уравнений (III.2)—(III.6) под руковод ством И. И. Кириллова были выполнены расчеты изменения пара
1 Пример расчета взят из лекций проф. И. И. Кириллова «Работа турбинных ступеней на влажном паре», ЛПИ, 1970 г.
69
