Файл: Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин.pdf

метров пара и процессов конденсации (рис. II 1.2) для среднего сечения модели предпоследней ступени ЧНД мощной паровой турбины {dll = 3,36). На входе в ступень на расчетном режиме пар сухой насыщенный. В каналах сопел НА расширение пара происходит почти при полном переохлаждении. При Мс = 0,8 на расстоянии 2 мм от горла сопла степень переохлаждения пара равнялось 22 К- Ей соответствовала сравнительно небольшая скорость ядрообразования — / = 6,9• КЗ14 м~3-с '1. При зароды-

Рис. III.2. Расчет процесса конденсации в первой ступени паровой экспериментальной турбины ЛПИ — модель 28-й ступени турбины К-300-240-1 ЛМЗ

вторая группа капель увеличила степень влажности на расстоя­ нии 2 мм за горлом до 10"8. В конце осевого зазора между НА и РК влажность увеличилась до 3,4-10"7 в основном за счет конденсации пара на каплях первой и второй группы. Заметного влияния на изменение параметров пара эта влажность не оказала.

В каналах РК переохлаждение пара на расстоянии 3 мм от входа сначала возрастает до 28 К. Образовавшиеся новые группы капель незначительны по количеству капель в сравнении с наи­ более многочисленной второй группой. Вторая группа на расстоя­

70

i=ti

== 4,19p'S пг-|ь где ni = I iFlASi, к расходу влажного пара

через сопло на рассматриваемом участке G, увеличилась до 1,5%. В рабочем колесе произошло интенсивное фазовое превращение. Степень переохлаждения в РК достигла минимума в 6,2°. Тече­ ние в РК дозвуковое (Мш изменилось от 0,22 до 0,73). На выходе из РК переохлаждение снова незначительно возросло до 7,5°. В осевом зазоре за РК переохлаждение снижалось. Новых групп капель не образовывалось. Степень влажности продолжала уве­ личиваться за счет конденсации на уже имевшихся каплях, осо­ бенно на наиболее многочисленной второй группе. Размер капель второй группы возрос до 3-10“ 2 мкм. Наиболее крупные капли первой группы увеличились до 1 -10“1 мкм.

Экспериментами многих авторов в СССР и за рубежом было подтверждено образование зародышевых капель указанных выше размеров и их рост после возникновения фазового перехода. В последнее время были проведены прямые измерения роста ка­ пель при расширении вдоль сопла за зоной фазового перехода [34]. Измерения производились оптическим способом расшиф­ ровкой индикатрисы рассеяния узкого коллимированного моно­ хроматического пучка света под малыми углами и под 90° к про­ ходящему пучку. Теоретические основы метода были разработаны В. В. Шулейкиным, К. С. Шифриным. С помощью приборов, основанных на этом методе, в ЛПИ, МЭИ, ЦКТИ и КАИ было произведено измерение спектра капель в соплах, за диафрагмой и за ступенью влажнопаровой турбины.

Исследования [34] (рис. III.3) показали, что в сверхзвуковом сопле в начальный момент конденсации образуются капли ра­

диусом 5—10 А. За короткий отрезок времени в пределах длины зоны конденсации, где кривая изменения давлений вдоль сопла имеет горизонтальный или слабонаклонный участок, размер

образовавшихся капель возрастает на порядок до 50—100 А. Затем скорость роста замедляется и возрастает почти линейно. Увеличение степени влажности вдоль сопла, показанное для од­ ного из режимов (рис. III.3), носило параболический характер. Для сравнения на том же рисунке пунктирной линией нанесено изменение степени влажности, рассчитанной в предположении равновесного расширения. Наибольшее изменение степени влаж­ ности вдоль сопла наблюдается в зоне наибольшей скорости роста капель.

что рассчитанные и измеренные радиусы капель близки по вели­ чине. Расчет роста капель в ступени только за счет конденсации дал (см. рис. III.2) размер капель за соплом 25 -10~4 мкм, за сту­ пенью— 0,1 мкм. Как показали эксперименты и расчеты, такие мелкие капли под действием инерции почти не сепарируются на

71

стенки профильных поверхностей. Следовательно, они не могут представить существенной опасности с эрозионной точки зрения. В то же время косвенные измерения сепарационными методами показывают наличие в проточной части турбины более значитель­ ной доли крупнодисперсной влаги, чем это следует из расчетов. Наличие более крупной влаги измерено и в соплах Лаваля, уста-

Рис. III.3. Измерение давления, размеров капель и влажности вдоль прямого сверхзвукового сопла (опыты Г. А. Мухачева и Ю. П. Метелина):

новленных за рабочим колесом турбинной ступени, служащей для испытуемого сопла пароподготовляющей ступенью [45].

Из-за отсутствия прямых измерений изменения дисперсности влаги вдоль проточной части многоступенчатой турбины физи­ ческая картина и механизм образования более значительной доли крупнодисперсной влаги в ступенях, где по расчетам обра­ зуется после скачков конденсации и движется главным образом мелкодисперсная влага с радиусами меньше микрона, пока не ясны. Можно сделать предположения о существовании совокуп­ ности физических процессов, приводящих к укрупнению мелких капель в проточной части турбины. Процесс укрупнения может вызываться шестью основными видами коагуляции.

72

1.Механический — слияние за счет эффективных столкнове­ ний капель в потоке.

2.Гидродинамический — слияние за счет гидродинамических сил притяжения между близко движущимися в потоке каплями.

3. Гравитационный — слияние капель за счет сил тяжести.

4.Броуновский — слияние мелких капель за счет воздей­ ствия молекул пара на мелкие капли радиусом меньше 0,1 мкм.

5.Электрический — слияние мелких капель за счет сил элек­ трических зарядов капель.

6.Турбулентный — слияний капель за счет турбулентной неравномерности движения пара и капель. Турбулентные пуль­ сации выражаются беспорядочным набором вихревых движений среды различных масштабов, разбиваемых на макро- и микро­ области [55]. Для турбулентных пульсаций характерно непре­ рывное распределение энергии пульсаций по частотам. Турбулент­ ные вихри при их распаде являются источниками акустических колебаний, распространяющихся по всему турбулентному полю. Акустические пульсации влияют на процессы микротурбулентного смешения [55]. К турбулентной следует отнести коагуляцию,

вызванную взаимодействием вихрей различного происхож­ дения.

Турбулентное и вихревое движение потока при фазовом пере­ ходе будет сказываться не только на коагуляции мелких капель, а также на их образовании и росте в вихрях, образованных в про­ точной части при срыве потока с обводов входной части диафрагм,

вкромочных следах, в винтовых шнурах вторичных потоков сопловых и рабочих каналов, в вихревых потоках за демпфер­ ными проволочными связями и т. д. В работе [45] показана воз­ можность возникновения жидкой фазы в вихревых дорожках кромочных следов сопловых и рабочих решеток при существенно меньших переохлаждениях, чем требуется для начала фазового перехода во всей массе потока. Количество капель, образующихся

вкромочных следах и служащих центрами конденсации, по оценке [45], на 2—3 порядка меньше, а конечные размеры на порядок выше, чем при фазовом переходе в ядре потока. Следо­ вательно, за счет фазовых переходов в турбулентных вихрях и турбулентной коагуляции можно ожидать в пределах одной ступени появление более крупных капель, чем это следует по уравнениям фазовых переходов. По-видимому, турбулентная и вихревая коагуляции являются определяющей предпосылкой для осаждения укрупненных капель на поверхности сопловых и ра­ бочих лопаток. Осаждение на профильные поверхности проточ­ ной части турбин мелких первичных капель происходит также путем турбулентной диффузии, термофореза, а также сепарации под действием подъемной силы, возникающей при высокочастот­ ном вращении капель в пределах пристенного пограничного слоя. За счет перечисленных процессов из первичных очень мелких капель происходит формирование пленок, отдельных скоплений

73

или ручейков влаги на поверхностях лопаток. При срыве в поток, а также при дроблении в осевых зазорах из этой влаги форми­ руются эрозионноопасные потоки крупнодисперсной влаги.

18.УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОГО СПЕКТРА КАПЕЛЬ

ВПОТОКЕ ПАРА

Движение спектра капель в проточной части турбины опреде­ ляется радиусами капель отдельных его частей. Для решения вопросов сепарации, улавливания, отвода влаги, а также вопро­ сов механического и гидромеханического воздействия капель необходимо различать движение трех основных групп капель: очень мелких от зародышевых до капель радиусом 1 0 '1 мкм, мелких — в пределах радиусов от 10"1 до 1 мкм и крупных с ра­ диусами более микрона. Движение первых двух групп капель определяется микро-, а последней — макрозаконами. По ана­ логии с механикой разреженных газов, в зависимости от числа Кнудсена, равного в нашем случае отношению длины свободного пробега молекул к диаметру рассматриваемой капли

выражаемого также через критерий Рейнольдса, подсчитанного для данного радиуса капли, критерий Маха и показатель изоэн-

Рассмотрим уравнение движения шаровой капли под действием сил: давления на каплю со стороны потока пара, сопротивления, тяжести; реактивной силы Мещерского за счет конденсации пара

Как было показано в [20], для движения капли в проточной части турбины в правой части уравнения (III.9) преобладающую роль играет сила сопротивления. Поэтому уравнение движения t-й капли можно представить в виде

74