Автореферат (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин), страница 3

Применение CFD кода с модифицированной модельютурбулентности дает завышенное значение потерь кинетических энергиипрактически для всех значений начальной влажности. При y0 = 3%максимальное абсолютное значение рассогласования в расчетных иэкспериментальных данных составляет порядка 1,5 %. С ростом начальной8влажности отличия в результатахмоделирования и пневмометрическихизмерений снижается и при y0 = 10%они практически отсутствуют.В целях получения корректныхданных только о паровой фазе,отсутствие учета в CFD коде крупныхкапель и водяной пленки можнокомпенсировать корректным выбороммодели турбулентности.Разработаннаярасчетноэкспериментальнаяметодикабесконтактного измерения размеровкапель с помощью системы лазернойдиагностики верифицировалась всуживающемся сопле.

На данныймомент применение PIV алгоритмапозволяет определять средние поРис. 3. Теневые фотографии (слева) иконцентрацииразмерыкапель.соответствующиеимрасчетныеРезультаты измерений сравнивались скартины течения (справа) на различныхданными, полученными с помощьюрежимах при начальном перегревезондаинерционногоосаждения.выше температуры насыщения ΔТ0 =Рассматривалось изменение средних5К. а: εа = 0,38; б: εа = 0,51; в: εа = 0,63;размеров капель вдоль канала (см.г: εа = 0,66Рис. 2, б). По мере движения вдольканала, диаметры капель снижаются от 30 до 20 мкм, что связано с дроблениемчастиц крупных размеров в полидисперсном потоке. Наблюдается достаточнохорошее совпадение практически по всей длине рассматриваемой области, чтоговорит о корректности применения описанного подхода по определениюразмеров капель (Рис.

4).Рис. 4. Распределение средних размеров капель вдоль соплаВчетвертойглаверассматриваютсяособенностидвижениякрупнодисперсной влаги за изолированной сопловой решеткой. Исследования9проводились при теоретическом числе Маха за решеткой M1t = 0,8.Рассматривалось влияние на характеристики потоков крупных капель такихрежимных параметров, как начальная влажность пара (y0) и отношениеплотностей фаз:(5)где - плотность жидкой фазы перед исследуемым объектом;- плотностьпаровой фазы перед исследуемым объектом.Источники крупных капель наблюдались как на фотографиях, полученных спомощью системы «ПОЛИС», так и на распределениях коэффициентовскольжения капель вдоль шага решетки.

Было выявлено 3 потокакрупнодисперсной влаги за решеткой:Капельный поток в кромочном следе.Капельный поток в области со стороны спинки лопатки.Капельный поток со стороны вогнутой поверхности.Первые два источника крупнодисперсной влаги проявляются при всехрассматриваемых значениях начальной влажности пара, а последнийнаблюдался при y0 = 8,4%.Основываясь на экспериментально определенных векторных поляхскоростей жидкой фазы, были рассчитаны характерные траектории движениякрупных капель за решеткой (Рис. 5).

Они имеют криволинейную форму инаправлены в сторону уменьшения угла выхода капель; при этом сувеличением начальной влажности пара угол выхода частиц дискретной фазыувеличивается. Траектория 1 соответствует потоку капель со стороны спинкилопатки, 3 – кромочному капельному следу, 4 – потоку со стороны вогнутойповерхности.Вдоль рассматриваемых траекторий были определены основные параметрыкапель: коэффициенты скольжения (ν), углы отклонения капель от направленияпарового потока ( ), средние диаметры (d). Величины ν иопределяютсясоответственно как:,(6),(7)-где- скорость капель;- скорость пара;- угол выхода капель;угол выхода пара.Поток крупных капель со стороны спинки профиля (траектории 1) вблизивыходной кромки движется под большим углом - в этой области= 25о.Установлено, что частицы дискретной фазы в данной зоне являются первичнойвлагой, проходящей межлопаточный канал без контакта с его стенками ипересекающей кромочный капельный след, или выбивающей дискретныечастицы из него.

Средние диаметры в этой области составили 10 – 15 мкм. Сувеличением начальной влажности от 3,4% до 8,4% основные параметрыкапель практически не изменяются.10Рис. 5. Траектории крупных капель за решеткой при различной начальнойвлажностиИсследования показали, что в кромочном следе (траектория 3) на начальномучастке движения () имеет место активное дробление частиц жидкойфазы – средние размеры капель уменьшаются (Рис. 6). После выравниваниядисперсного состава на участкеначинается рост среднихдиаметров, что свидетельствует о начале коагуляционных процессов.

По мереудаления от выходной кромки лопатки скорости капель непрерывноувеличиваются – коэффициенты скольжения растут от 0,5 – 0,55 придо 0,69 – 0,74 при. С изменением начальной влажности от 3,4% до8,4% диаметры частиц вблизи выходной кромки растут от 85 мкм до 115 мкм.Это связано с ростом расхода в водяной пленке, формируемой на стенкахлопатки.120100d, мкмy0 = 3,4%y0 = 5,4%80y0 = 8,4%604020z00,020,060,10,140,180,220,26Рис. 6. Распределение средних по концентрации размеров капель вдольтраектории 3Установлено, что дисперсный состав дискретной среды в кромочном следесущественно зависит от начальной влажности пара.

По мере удаления отвыходной кромки, при начальной влажности y0 = 3,4% увеличивается11концентрация мелкодисперсной влаги, в то время как при y0 = 8,4%наблюдается рост концентрации крупных капель.Поток крупных капель со стороны вогнутой поверхности (траектория 4)явно проявляется только при начальной влажности y0 = 8,4%. Его появлениесвязано с интенсификацией процессов отражения и выбивания капель споверхности водяной пленки, движущейся вдоль вогнутой поверхностилопатки. При этом средние диаметры капель увеличиваются от 10 мкм до 15мкм.Исследования показали, что изменение параметра существенно влияет нахарактер движения частиц жидкой фазы за сопловой решеткой. Это связано сизменением аэродинамического воздействия на капли со стороны основногопотока (так как изменениев первую очередь приводит к изменениюплотности парового потока).Установлено, что увеличение плотности паровой среды (уменьшение )приводит к вырождению потока крупных капель со стороны спинки лопатки.Это четко проявляется на распределениях коэффициентов скольжения зарешеткой (Рис.

7) – в рассматриваемой зоне при = 1994 величина ν близка к 1,что говорит о движении капель преимущественно малых размеров. Кроме того,уменьшение(увеличение плотности парового потока) приводит куменьшению углов выхода частиц жидкой фазы.Наблюдается существенное перестроение скоростей и размеров капель вкромочномследе(Рис.8).Уменьшениеприводиткснижениюкоэффициентовскольжениянепосредственновблизи выходной кромки (z =0,05b). При этом, если примаксимальном значении3790величинакоэффициентаскольженияпрактическинеизменяется по мере удаления частицжидкой фазы от сопловой решетки,то при2581 и1994происходит активное ускорениечастиц.

Чем больше плотность пара,тем выше градиент скорости капельна начальном участке движения (z =0,05b - 0,11b). Как следствие, врезультатеактивногомеханического взаимодействия фаз,дроблениеРис.7.Распределениесредних вызывающегокоэффициентов скольжения за сопловой дискретных частиц, на режимах с2581 и1994 средние порешеткой при начальной влажности параy0 = 3,4%. a: = 3790; б: = 2581; в: = концентрации размеры капель вобластиустановившегося199412дисперсного состава (z = 0,11b - 0,19b) в два раза меньше, чем при3790.На основе проведенных исследований были получены обобщенныехарактеристики жидкой фазы в кромочном следе за сопловой решеткой (см.рисунок 9). На рисунке, где- средний размер капель передканалом.Представленныехарактеристикиимеютважноепрактическоеприменение на этапе проектирования проточных частей последних ступенейЦНД конденсационных турбин и турбин АЭС.

Их использование позволяет:1.Получить входные треугольники скоростей для крупных капель,тем самым определить зоны активного эрозионного износа рабочих лопаток.2.Выбрать оптимальное значение межосевого зазора ступени с точкизрения скоростей, углов движения и размеров капель.3.Оптимизировать мероприятия по борьбе с крупнодисперснойвлагой в потоке. Выбрать оптимальные параметры работы систем сепарациипленки и вдува греющего пара путем сравнивания характеристик движениякапель за решеткой.4.Полученные параметры движения крупнодисперсной влаги могутбыть использованы как исходные данные для анализа активности эрозионногоизноса рабочих лопаток: определение степени разрушения материала взависимости от времени работы машины, напряжения в металле присоударении капли с поверхностью лопатки и так далее.0,8ν0,72ρ = 3790ρ = 2581ρ = 1994d, мкм10080ν0,64600,5640d0,4820z0,40,050,10,150,200,25Рис. 8.

Распределение коэффициентов скольжения и размеров капель вдольтраектории, расположенной в кромочном капельном следе при y0 =8,4%13Рис. 9. Распределение коэффициентов скольжения (а) и средних размеров (б)жидкой фазы в кромочном следе за сопловой решеткой при начальнойвлажности y0 = 3,4%ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.Доказана возможность применения программного комплекса ActualFlow,реализующего корреляционный метод определения векторов скоростейдискретных частиц (PIV) для экспериментального определения характеристикполидисперсных влажно паровых потоков в элементах проточных частейтурбомашин.2.Разработана и апробирована экспериментально-расчетная методикабесконтактного определения средних размеров крупных капель, которыедвижутся в основном потоке с ускорением и со скольжением по отношению кпаровой фазе. Для этого выполнена модификация компонентов CFD кода AnsysFluent 14, которая позволила применять численные методы и совмещатьрезультатырасчетовпараметровпаровойфазысрезультатамиэкспериментального исследования характеристик жидкой фазы.3.Получены характеристики потока за сопловой решеткой, которые могутбыть использованы при проектировании ступеней турбин, работающих вобласти влажного пара.

Экспериментально определены характерныетраектории движения, распределение коэффициентов скольжения, углов,диаметров крупных капель за изолированной сопловой решеткой.4.При проектировании ступени и систем разрушения или удалениякрупнодисперсной влаги необходимо учитывать основные источники крупныхкапель в потоке за изолированной сопловой решеткой и особенности процессових формирования.4.1 Крупные капли со стороны спинки профиля являются первичнойвлагой, формируемой перед исследуемым каналом и пересекающей кромочныйслед лопатки или выбивающей дискретные частицы из него. Их средний размерсоставляет 10 – 15 мкм.144.2 Движение капель в кромочном следе характеризуется активнымдроблением влаги на начальном участке траектории с дальнейшимвыравниванием средних размеров капель.