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

возникает задача сравнения опытных данных, полученных для форсунок и турбинных направляющих аппаратов.

Изучение дробления пленок влаги на сходе с сопловых кромок производилось на пародинамическом стенде с помощью скоростной киносъемки [12]. В рабочем участке стенда устанавливались соп­ ловые решетки листовых и телесных профилей [26]. Съемка про­ изводилась скоростной кинокамерой СКС-1М с частотой 3700— 4500 кадров в секунду при различных степенях влажности перед решеткой для дозвуковых, звуковых и сверхзвуковых режимов истечения. Освещение при киносъемке производилось кинолам­ пами мощностью 300—400 Вт, при фотосъемке — специальным искровым блицем с длительностью освещения около 10“6 с. Влаж­ ность на входе в решетку менялась от 0 (насыщенный пар) до 10%. Числа Мы и Reci изменились соответственно в пределах от 0,5 до 1,67 и (1,65-ь4,2)105. Давление за решеткой при различных ре­ жимах менялось от 6 до 25 кПа.

В результате изучения полученных кинофильмов была вы­ яснена картина схода пленки с кромки лопатки и дробления влаги в кромочном следе. На кромке лопатки происходило постепенное накопление влаги. Срыв наступал после достижения достаточного по массе количества конденсата.

С кромки происходило пульсирующее стягивание в кромочный след и возвращение назад на лопатку пленки влаги. С набухшей пленки отделялся язычок влаги. За время (1-ь2) 10“ 3 с язычок вытягивался вдоль кромочного следа на длину 2—3 мм, после чего с его кончика отделялась капля радиусом 0,1—0,5 мм. Иногда при околозвуковых и сверхзвуковых режимах работы сопел от перешейка, образовавшегося при формировании головной капли, отделялось несколько мелких капель из нескольких язычков, воз­ никавших из одного вздутия пленки. При околозвуковых и сверх­ звуковых скоростях за соплами максимальная длина язычков достигала 3—4 мм. Иногда их длина составляла всего лишь

0,5—1 мм.

Частота схода пленки с сопловой кромки в значительной мере определялась начальной влажностью. С увеличением на­ чальной влажности количество сходов росло. Характер же схода влаги оставался одинаковым при малых и больших степенях влаж­ ности перед решеткой для околозвуковых и сверхзвуковых ре­ жимов. Наблюдались следующие этапы образования капель: на­ копление пленки, вытягивание язычка, дробление головной его части, стягивание оставшейся части язычка к кромке, разгон и дробление капли в кромочном следе. Лишь при небольших дозву­ ковых скоростях (Мс1 = 0,5) и начальной влажности у = 5—6% изредка наблюдалось изменение картины схода влаги. Сход пленки в этом случае происходил в виде отрыва отдельных кусков или сплошных лент влаги длиной 7—8 мм. Картина последовательного

91

а)

*

f>HC. Ш .9. Картина схода и дробления влаги с выходных кромок лопаток НА: а — сход влаги с модельной лопатки (20 последовательных кадров кинофильма); б — схема съемки; в — сход влаги с лопаток натурной диафрагмы [65]:

1 — световод подсветки; 2 — выходная кромка; 3 — застекленное окно; 4 — призма;

.5 — световод к кинокамере; 6 — скопление влаги в области вторичного течения; 7 — предпочтительные места схода влаги; 8 — места отрывных течений, содержащие влагу;

9 — граница поля зрения в перископ

;9 2

ливание и сход влаги начиналось у края лопатки в местах схода с выходной кромки вторичного шнура. Затем сход язычка пере­ двигался по выходной кромке к другому краю (кадры ХУ—XX). Частота сходов язычков лежала в пределах 250—300 Гц. Подобное явление было отмечено в натурной турбине [65 ] при фото- и кино­ съемке через специальный перископ. Непрерывное сбрасывание

Рис. ШЛО. Путь и скорость капли в кромочном следе сопловой лопатки (а);

влаги в виде капель и сгустков происходило в определенных пред­ почтительных местах вдоль выходной кромки. По выходной кромке и предпочтительным местам срыва влага двигалась в на­ правлениях и к периферии, и к корню лопатки.

Скорости движения капель в кромочном следе непосредственно после отрыва от сплошной части пленки составили 0,3—0,5 м/с. На небольшом расстоянии от кромки вдоль следа капли разгоня­ лись до скорости 3—4 м/с, а затем дробились. На кадрах кино­ фильма (рис. ШЛО, б) четко видна капля, отделившаяся от язычка несколько раньше. На последующих кадрах капля распадается. При этом четко очерченные края капли расплываются, и она пре­ вращается в темное размытое пятно, быстро исчезающее из поля кадра.

93

На рис. ШЛО, а показаны путь и скорость капли на отрезке от 2,3 до 5,3 мм по следу от кромки лопатки, снятой по пяти по­ следовательным кадрам кинофильма для одного из режимов. На двух последних кадрах капля деформировалась, дробилась и исче­ зала из поля кадра.

Для расчета движения капель после схода с выходных кромок: сопловых лопаток особую роль играет определение размера наи­ более крупных капель в потоке пара. Количественно условия дроб­ ления принято характеризовать величиной критерия Вебера,, представляющего отношение динамического напора среды к силам поверхностного натяжения жидкости. Дробление сгустков, круп­ ных капель и язычков влаги по экспериментальным данным на­ ступает при достижении критической величины WeKP, которая разными авторами получена в пределах 10—15. Расчет устой­ чивости формы капли в полете [49] дает значение WeKP = 14. Максимальный радиус капли при распыливании влаги, сходящей с выходных кромок лопаток НА, равен

Lax = 0,5WeKPp - > | - 2a. (III.26)

При попадании капли в поток она подвергается деформации аэродинамическими силами. Одновременно капля разгоняется по­ током. Относительная скорость и число We уменьшаются. Если время достижения критической формы деформации капли будет меньше времени ее разгона до достижения We я» 14, то капля раз­ дробится. В противном случае деформация, достигнув некоторого максимального значения, начинает уменьшаться. Форма капли с уменьшением относительной скорости начнет приближаться к ша­ ровой. Оценка времени достижения критической формы может быть проведена по приближенным формулам: тр == 2,3£ir V 0,5 X

Хр-0 '5 [55] или тр = 5,77я£1,5р'0’5 сг—°-5 [73]. Время движения капли с высокой относительной скоростью т„ определяется в ре­ зультате разгона капли в потоке пара. Следовательно, дробление

дроблению жидкости в потоке газа показали, что дробление капли происходило, если порядок величины критерия Т составлял 104—105. Напротив, дробления не наблюдалось, если величина Т равнялась 10—20. Таким образом, можно заключить, что времен­ ной критерий играет важную роль при дроблении капель.

Существуют многочисленные теоретические работы по распаду струй жидкости, вытекающих из отверстий и движущихся в потоке газа. В них подробно разбирается механизм распада струй жидко­ сти под действием роста неустойчивых волновых возмущений. Непосредственно у соплового отверстия почти всегда наблюдается небольшой участок сплошной струи. Воспользуемся формулами,, полученными для истечения воды из форсунок и отверстий, при определении размера капель и длины участка сплошной струи, образующихся в результате схода влаги с кромки сопловых ло­

94

паток, применительно к нашим экспериментам. В работе [55] была получена зависимость среднего радиуса капли | м от крите­ риев, определяющих явление распиливания. Для наших условий она запишется следующим образом

рость пара в следе. В результате обработки многочисленных экс­ периментальных данных различных исследований была определена функциональная зависимость (II 1.27) и получена формула

1„ = бкр (67,5 + 1,84• 10"36крРстрг2) (сср8 крР|1 - г)-м . (Ш.28)

Расчетом по формуле (II 1.28) для одного из экспериментальных режимов р г = бкПа, у 0 = 2,2%, Мл = 1 была получена вели­ чина радиуса капли —0,115 мм, близкая к замеренной на данном режиме величине 0,1—0,2 мм.

Оценка длины сплошной части язычка была произведена по [12]. Воспользуемся критериальной формулой, полученной на основе решения задачи устойчивости и распада струи методом

для определения величин максимального и модального радиусов капель в осевом зазоре между НА и РК, а также для оценки длины

23. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГИ И ДИСПЕРСНОСТЬ КАПЕЛЬ ПО ШАГУ СОПЛОВОГО КАНАЛА. РАЗГОН КАПЛИ В КРОМОЧНОМ СЛЕДЕ

До недавнего времени существовало общепринятое мнение о почти полной сепарации капельной влаги при ее прохождении через каналы решетки НА. Оно сложилось на основе визуальных наблюдений за движением увлажненного воздуха и влажного пара в каналах плоских решеток и за диафрагмами влажнопаровых ступеней, при которых фиксировался выделявшийся молочнобелый кромочный след со значительной концентрацией крупно­ дисперсной капельной влаги. Это мнение укрепляло отсутствие прямых измерений распределения степени влажности за сопловыми каналами, а также выполнение расчетов по движению капельной

95

влаги в криволинейных каналах в предположении полного оса­ ждения капель при соприкосновении со стенками каналов. В ре­ зультате таких расчетов получалась почти полная сепарация влаги на вогнутую поверхность канала. Исследования плоских турбин­ ных решеток при работе на паре, увлажненном крупнодисперсной влагой, проведенные в БИТМ Р. М. Яблоником и В. В. Лагеревым в 1959—1963 гг., показали, что при крупнодисперсной влаге основная ее часть попадает на вогнутую поверхность лопатки и движется по ней в виде пленки и бинарного парокапельного слоя. В бинарном слое и пленке было сосредоточено до 2/3 влаги, про­ ходящей через канал, ее основная масса. Немного позднее в 1964— 1966 гг. были проведены исследования плоских решеток на влаж­ ном паре в лаборатории турбиностроения ЛПИ [21 ]. Примененная система тонкой подготовки влажного пара, позволявшая получить на входе в решетку дисперсность влаги с модальными радиусами капель порядка 3—5 мкм, а в некоторых опытах— до 10 мкм, близкую к измеренной в ЧНД натурных и экспериментальных турбин с естественным получением влажного пара, дала возмож­ ность получить картину распределения влажности по ширине канала в случае безударного поступления пара и влаги на входе в канал. При исследованиях ЛПИ для измерения влажности за плоской решеткой был применен компактный электрокалориметр. Исследования ЛПИ показали, что в зависимости от конфигурации канала, дисперсности влаги на входе в решетку, ее режима работы степень влажности по шагу решетки неравномерна. Значительная концентрация влаги в кромочных следах и в бинарном парока­ пельном потоке около профильной поверхности обусловила по­ вышение степени влажности в кромочных следах до 2—2,2 от начальной перед решеткой (рис. III. 11, а). Далее по шагу от во­ гнутой к выпуклой поверхности степень влажности снижалась,

достигая минимальной величины 0,75у 0 на расстоянии 0,12/ от выпуклой поверхности лопатки. Измерениями был замечен рост средней степени влажности за решеткой с уменьшением степени влажности перед решеткой, т. е. с увеличением степени влажности перед решеткой количество влаги, сепарирующейся на профильные поверхности лопатки, увеличивалось. В наших экспериментах в зависимости от режима работы канала и создаваемой на входе дисперсности жидкой фазы в исследованных решетках листовых профилей [24] на вогнутую поверхность лопаток сепарировалось от 12 до 50% влаги. Меньшие значения получались при более тон­ ком распыле влаги на входе в канал. Значительное, иногда до 88%, количество влаги проносилось через канал без соприкосновения

слопатками.

В1966—1971 гг. были проведены эксперименты в МЭИ по изу­ чению движения влаги в плоских турбинных решетках телесных профилей. Изменение степени влажности по шагу канала произ­ водилось емкостным методом. Дисперсность влаги определялась методом отпечатков с фиксацией времени экспозиции улавливаю-

96