LAB#3 (Лабораторные работы)

Работа № 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ НА ДВУХФАЗНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ

Целью лабораторной работы является экспериментальное определение характеристики парциальной сверхзвуковой одноступенчатой активной турбины с одиночным соплом при различных концент рациях жидких частиц в рабочем теле.

Применение новых топлив в двигательных установках, исполь зующих воду для организации рабочего процесса.привело к тому, что турбина должна работать на двухфазном рабочем теле с твер дыми или жидкими частицами. Как показали исследования, двухфазные потоки обладают рядом специфических свойств, принципиально отличающихся от свойств однофазных потоков. Газодинамика многофазных сред отличается от механики чистого газа присутствием в газовом потоке жидких или твердых частиц различных размеров и формы, которые обмениваются с газом кинетической и тепловой энергией и могут переходить из одного агрегатного состояния в другое.

В двигательной установке массовый расход частиц может даже превосходить расход газа и вследствие этого существенно ухудшать эффективность преобразования энергии в рабочих органах.

Течение двухфазной среды по проточной части обладает следующими особенностями.

1. Аэродинамическое взаимодействие фаз обусловлено вяз костью и аналогично силам трения, поэтому процесс течения принципиально необратим.

2. Процессы теплообмена между фазами протекают при конечной разности температур и остаются незавершенными.

3. При течении с ускорением имеет место существенное различие скоростей и температур между фазами в потоке.

4. Поток неоднороден, причем неоднородность может увеличиваться из-за перераспределения концентраций фаз по попереч ному сечению потока,

5. Жидкая фаза обладает способностью при взаимодействия со стенками канала высаждаться, меняя геометрию проточной части.

Эти особенности являются причиной дополнительных потерь в проточной части турбины, а именно:

1. Потери в сопловом аппарате, складывающиеся из потерь на трение газа о частицы, потерь при сепарации частиц на сопло вые лопатки, в результате которой полученная от газа кинетическая энергия частиц почти полностью теряется при выпадении на неподвижную поверхность, потерь на трение газа о жидкую волнистую пленку, покрывающую сопловые лопатки.

2. Потери в осевом зазоре между сопловым аппаратом и рабочим венцом, состоящие из потерь на трение газа о частицы, потерь кинетической энергии при выпадении частиц на периферийную стенку корпуса турбины, потерь на трение газа о волнистую пленку, образованную высаждением частиц, потерь на дробление пленки и капель, срывающихся с выходных кромок соплового аппарата.

3. Потери в рабочем колесе, основную долю которых составляют потери на удар жидких частиц о входную кромку рабочих лопаток в результате отставания частиц от газа и попадания на рабочие лопатки под большими отрицательными углами атаки, а также на отбрасывание жидкой фазы к периферии. Эрозионный износ увеличивает профильные потери.

4. Потери в радиальном зазоре обусловлены течением отсепарированной лопатками жидкости на периферийную стенку и ударом концов лопаток или бандажа о свободную поверхность пленки.

Перечисленные потери можно исключить путем отделения частиц сепарацией рабочего тела. Однако полная очистка газа, несущего разноразмерные частицы, невыгодна, поскольку пришлось бы применять сложные сепараторы грубой и тонкой очистки. Затраты энергии и габариты таких устройств не отвечают требованиям к двигательной установке.

В ряде случаев при высокой температуре и агрессивности рабочего тела необходимо уменьшить эрозионный износ рабочих лопаток турбины взвешенными частицами. Это выдвигает определенные требования к содержанию частиц в газе не более 5% по весу.

Известно, что эрозионный износ зависит от размеров частиц. Кроме того, размер частиц оказывает значительное влияние на потери в проточной части турбины. Исходя из этих соображений, генераторный газ сепарируют с отделением наиболее крупных частиц, допуская наличие в рабочем теле турбины такого содержания взвешенных частиц по размеру и концентрации, при котором потери преобразования энергии в турбине и потери энергии в процессе сепарации в сумме минимальны и позволяют достичь максимальных выходных параметров двигательной установки в целом.

Одним из наиболее эффективных способов сепарации является закрутка сепарируемого потока с помощью специального сепарирующего соплового аппарата (ССА), показанного на рис. 16, Часть располагаемого теплоперепада турбины срабатывается в ССА, где поток вместе с частицами, подлежащими удалению, ускоряется и

получает закрутку относительно корпуса, образующего осевой зазор между ССА и сопловым аппаратом турбины (СА). Благодаря закрутке в сепарирующем зазоре более плотная фаза в поле центробежных сил выносится с меньших радиусов на большие, высаждается на периферийную стенку и транспортируется через отводящее устройство в полость выхлопа турбины. Выбор длины сепарирующего зазора Z_c производится с учетом того, что сепарация частиц разного размера происходит неодинаково. Частицы попадают на периферийную сепарирующую поверхность раньше или позже и в зависимости от размера теряют окружную составляющую скорости за счет трения о поверхность, попадая снова в поток и уменьшая эффективность сепарации. Минимальная длина Z_c , показанная на рис. 16, определяется из условия, что частицы, движущиеся у корня, выпадут на сепарирующую периферийную поверхность перед СА турбины.

Аналогичные явления происходят в осевом зазоре турбины, который выполняют увеличенным с целью использования закрутки потока для дополнительной сепарации частиц на периферийную стенку и транспортировки в полость выхлопа через радиальный зазор между венцом и корпусом. Следует отметить, что использовать вы сокоперепадный СА для полной сепарации невыгодно, поскольку существует верхний порог скорости, при которой дальнейшее увеличение эакрудки потока скажется на сепарации очень мелких частиц, не влияющих на работу ступени, в потери на разгон двухфазного потока значительно возрастут, поэтому основной процесс сепарации проводят с помощью низкоперепадного ССА.

Течение двухфазной смеси в сопловом аппарате

Вследствие резкого изменения величины и направления скорости газовой фазы в сопловых аппаратах взвешенная фаза отстает от газовой. Крупные частицы мало отклоняются от первоначального на правления и выпадают на вогнутой поверхности сужающегося сопла или на поверхности дозвуковой чести сопла Лаваля за счет инерционной сепарации. Мелкие частицы переносятся к стенкам и выпадают на элементах проточной части за счет турбулентности потока. С уменьшением диаметра частиц инерционная сепарация ослабевает, частицы диаметром d<1 мкм могут выпадать на поверхность лопаток только под действием турбулентных пульсации потока.

Взаимодействие выпадающих из потока жидких частиц со стен кой в сильной степени зависит от размера частиц, а также от того, является ли жидкость по отношению к поверхности смачивающей или нет.

Если жидкость не смачивает поверхность, то при удара о стенку крупных капель происходит разбрызгивание и унос частиц потоком. Когда частицы прилипают к поверхности, скорость их резко уменьшается, они сливаются и образуют сплошную пленку с волновой поверхностью. Средняя скорость течения даже маловязкой пленки не превышает 10% скорости газового потока, поэтому можно считать, что газ обтекает неподвижную и очень шероховатую поверхность

В суживающихся СА прямоугольного сечения отсепарированная жидкость стекает с лопаток в закромочные следы, в осесимметричных сопловых аппаратах с расширяющейся сверхзвуковой частью частицы сепарируются в ядре потока. В зависимости от характера течения и взаимодействия со стенками сопла двухфазного потока раз личной будет и картина взаимодействия потока о рабочими лопатками, которые отделены от соплового блока осевым зазором.

Течение двухфазной смеси в осевом зазоре турбинной ступени

При разрушении пленки, стекающей с сопловых лопаток, образующиеся капли ускоряются потоком. Чем больше осевой зазор, тем большую скорость приобретают частицы и тем меньше их отставание от газового потока. Величина С_к/С_г , где С_к - скорость частиц, характеризует его отставание и зависит как от величины зазора, так и от диаметра частиц. Для определенного сопла, на пример для частиц диаметром d = 100, 250, 500 мкм, отношение скоростей С_к/С_г = 0,55; 0.35; 0,15.

Течение двухфазного потока с твердыми частицами отличается тем, что частицы не выпадают на поверхности соплового аппарата, а отскакивают в результате упругого удара, сохраняя

скорость, причем в области косого среза и осевого зазора скорость частиц продолжает увеличиваться. Частицы диаметром меньше 5 мкм имеют скорость, близкую к скорости газа, и при их взаимодействии с рабочими лопатками эрозии почти не наблюдается. С увеличением размера частиц увеличивается их отставание от газа. При большом осевом зазоре происходит сепарация частиц, сопровождающаяся потерями энергии газа, состоящими из потерь на трение при движения саза относительно частиц в на трение о шероховатую волнистую пленку, покрывающую наружную стенку осевого зазора.

Течение двухфазной смеси в рабочем колесе

При малом осевом зазоре между сопловыми и рабочими лопатка ми изменением параметров течения смеси в зазоре можно пренебречь. В этом случае жидкая пленка, отекающая с малой скоростью с лопаток соплового аппарата, попадает на рабочие лопатки под большим отрицательным углом атаки, как показано на рис. 17. Это приводит к появлению больших потерь на удар, а при длительной работе вызывает эрозионный износ лопаток, который приводит к дальнейшему снижению эффективности рабочего колеса. При интенсивной сепарации на сопловых лопатках и наличии крупных частиц в потоке, а также при малой величине осе вого зазора потери на удар бу дут преобладать над осталь ными видами потерь.

Оценим потери на удар в предположении, что скоростью пленки, стекающей с лопаток, можно пренебречь по сравнению с окружной скоростью ло паток колеса. Тогда относи тельная скорость вторичных капель от дробления пленки

будет равна окружной скорости и направлена против вращения, Будем считать, что капли прилипают к поверхности лопаток коле са, т.е. удар абсолютно неупругий.

Сила сопротивления, приложенная к элементарной длине рабочих лопаток dr , из-за удара частиц будет

dP₁=2Пr(G_k/F_a)Udr где F_а - площадь поперечного сечения проточной части,

r - радиус рассматриваемого сечения, U - окружная скорость.

Положим, что жидкость, выпавшая на рабочих лопатках, стекает по ним под действием центробежных сил в радиальном направлении. В этом случае появится дополнительная сила сопротивления, приложенная к лопаткам и направленная против вращения. Величина этой силы, действующей на радиус r и возникающей при движении массы dm в радиальном направлении, dP₂=dm2wC_rпл, где dm= F_плR_kdr ,F_пл суммарная площадь сечения плен ки, текущей по всем лопаткам на радиусе r ; С_rпл- средняя скорость течения пленки вдоль лопаток.

При полном выпадении жидкой фазы на сопловых лопатках и не большом осевом зазоре расход жидкости через кольцевое сечение по рабочим лопаткам на радиусе r будет

F_плC_rплR_k=П(G_k/F_a)(r²-r²_вт)

где r_вт - радиус втулки.

Тогда dP₂=2wП(G_k/F_a)(r²-r²_вт)dr

Суммарная элементарная сила сопротивления, действующая на длине рабочих лопаток с(х , и потери мощности от этой силы будут

dP=dP₁+dP₂;

Произведя интегрирование и разделив полученную мощность на адиабатическую работу газовой фазы, после преобразований получим выражение для коэффициента потерь на удар и отбрасывание жидкой фазы рабочими лопатками в периферии

где k_с - коэффициент сепарации на сопловых лопатках, h_л- высота рабочих лопаток.

Из формулы видно, что для одной и той же турбины потери на удар в значительной степени зависят от отношения скоростей U/C_ад

На рис. 18 представлены типичные экспериментальные зависимости эффективного к.п.д. турбины от отношения скоростей U/C_ад

при работе турбины на чистом газе и двухфаз ном рабочем теле с жид кими частицами при различных q_k на рис.19 показано снижение к.п.д. турбины в зависимости от концент рации жидкой фазы q_k для низкоперепадной тур бины. Высокопереладные парциальные турбины ис следованы мало в силу их ограниченного при менения, а также в силу своей специфичности, однако актуальность исследования характеристик таких турбин в настоящее время уве личивается.

Методика проведения эксперимента

Для исследования характеристики турбины используется уста новка, показанная на рис. 10. Газогенераторный гаа проходят через смесительное устройство 46, в которое через струй ные форсунки подается вода. В коротком газоводе перед входом

в сопло формируется двухфазный поток, который далее разгоняется в сопловом аппарате и поступает на рабочий венец турбины.

После предварительной подготовки стенда м контрольной про­крутки турбины воздухом производится запуск газогенератора 25 и установка выводится на режим, указанный преподавателем. Число оборотов ротора турбины при этом выдерживается с помощью гидро­тормоза и составляет не более 6000 об/мин.