Диссертация (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин), страница 12

Образовавшийсяконденсат вместе с сетевой водой поступал в мерный бак (6). Представленнаясхема позволяет раздельно измерять расход как сепарируемой воды (путем егоизмерения в мерном баке 1), так и пара. Расход паровой фазы определялсяисходя из уравнения теплового баланса. Для этого измерялась температураводы до эжектора (4) и после него (5), а также суммарный расходсконденсировавшегося пара и воды в мерном баке (6).79Рисунок 2.20.Схема сепарации пленки с торцевой поверхности рабочей частиПерепад давления на щель подбирался таким образом, чтобы расходпаровой фазы был минимальным, а отсасывалась бы в основном только водянаяпленка на стенке канала. Тем самым достигалась минимизация вводимых впоток возмущений, создаваемых вследствие сепарации.Для проведения апробации разрабатываемой в данной работе методикибесконтактногоопределенияразмеровкапель(задача3вГлаве1)производились исследования в плоском суживающемся сопле, геометриякоторого представлена на Рисунке 2.21.

Канал образован двумя вставками (1,2); в верхней вставке установлено оптическое стекло (3), которое позволяетзаводить лазерный нож (8) системы лазерной диагностики в канал. В боковойстенке канала также предусмотрено отверстие для стекла (4), котороеформируетобластьоптическихнаблюдений.фотосъемка засвеченных лазером капель.Черезнеепроизводится80Для верификации разрабатываемой методики производилось измерениеразмеров капель с помощью зонда инерционного осаждения капель (см.Рисунок 2.15). Для обеспечения его ввода в поток, на боковой стенке канала,которая расположена напротив зоны оптических наблюдений, просверлено 6отверстий (5). Для контроля распределения параметров течения в сопле,нижняя вставка канала (2) продренирована с целью измерения статическогодавления потока.

Для определения статического давления использовалсяпарокуммутатор ИДК-16.С поверхности оптического стекла с целью обеспечения качественныхфотоснимков производилось удаление водяной пленки с боковой стенки каналачерез специально организованную щель (6) непосредственно перед стеклом (4).Сепарация производилась по схеме, которая была описана выше (см. Рисунок2.20). Для контроля дисперсного состава жидкой фазы перед каналом, вбоковойстенкерабочейчастиорганизованоотверстие(7),котороеобеспечивает ввод зонда инерционного осаждения капель в поток.

Контрольначальных параметров пара производился с помощью зондов давления полноготорможения (9) и температуры полного торможения (10). Для предотвращенияколебанийпараметровпотокавканале,рассматривалисьрежимысустановлением критического характера течения в минимальном сечении сопла.На Рисунке 2.22 зеленым цветом закрашена зона, которая будетрассматриваться при проведении измерений скоростей жидкой фазы спомощью системы лазерной диагностики. Возможности системы «Полис»позволяют получить векторные поля дискретной фазы во всей плоскостиканала. Однако в данном случае необходимости в этом нет, так каксуживающееся сопло используется для апробации разрабатываемой методики ивекторное поле скоростей необходимо определять только в зоне замеровразмеров капель с помощью зонда инерционного осаждения.

Внутри этой узкойобласти расположены отверстия для ввода зонда (пронумерованы от 1 до 6 наРисунке 2.22). Их положение относительно продольной оси x, началомкоординат которой является вход в канал, представлено в Таблице 2.81Рисунок 2.21.Схема проточной части суживающегося сопла82На Рисунке 2.22 отмечены дополнительные данные о геометрии вставок,образующих канал, а также отображено расположение дренажей для измерениястатического давления вдоль канала.Рисунок 2.22.Схема измерений в суживающемся соплеТаблица 2.Расположение отверстий для ввода зонда инерционного осаждения№ отверстия123456x, мм647892106120134На Рисунке 2.22 отмечены дополнительные данные о геометрии вставок,образующих канал, а также отображено расположение дренажей для измерениястатического давления вдоль канала.Схема применения системы лазерной диагностики «ПОЛИС» дляисследования векторных полей скоростей в исследуемом канале отображена наРисунке 2.23.

Световой нож, формируемый импульсным лазером, с помощьюзеркала направляется через оптическое стекло в верхней вставке сопла (позиция833 на Рисунке 2.21) и засвечивает частицы дискретной фазы, расположенные вего плоскости (позиция 8 на Рисунке 2.21).

Получаемую картину черезоптическое стекло на торцевой стенке рабочей части (позиция 4 на Рисунке2.21)фотографируетскоростнаякамера,оськоторойнаправленаперпендикулярно плоскости лазерного ножа. Таким образом, в среднем сеченииканала с помощью корреляционного PIV алгоритма определятся векторное полескоростей жидкой фазы.Рисунок 2.23.Схема применения системы лазерной диагностики «Полис»При выборе формы канала автор руководствовался следующимисоображениями:Необходимо обеспечить идеальные условия для проведения1.измерений с использованием PIV метода. То есть важно минимизироватьнегативные эффекты, связанные с наличием влажного пара в канале. Основнымиз них является формирование водяной пленки на поверхности оптическогостекла, через которое производится съемка засвеченных трассеров.

Практикаприменения системы лазерной диагностики [66, 67] показала, что водянаяпленкаводиночныхканалахначинаетобразовыватьсявобласти84безградиентного и диффузорного течения (например, в сопле Лаваля,представленном на Рисунке 2.19, на относительной координате 0,53 на стекленачинал формироваться бинарный водяной слой). Таким образом, необходимоорганизовать конфузорное течение влажного пара вдоль всего исследуемогоучастка сопла.2.Как будет показано в Главе 3, разрабатываемая методикаопределения средних размеров капель работоспособна только в тех случаях,когда частицы жидкости двигаются с ускорением, а также их скоростиотличаются от скоростей паровой фазы (вследствие скольжения). Длягарантированного обеспечения этого условия, также необходимо созданиеконфузорного характера течения вдоль всей исследуемой области.3.Особенностьюприменениязондаинерционногоосажденияявляется то, что он применим в узкой зоне чисел Маха, максимальное значениекоторого составляет 0,7 [31].

Таким образом, внутри исследуемой области (см.Рисунок 2.22) необходимо обеспечить приемлемый для данного метода режимтечения потока. Предварительный газодинамический расчет с помощью таблицгазодинамических функций, а также с применением CFD-кода Ansys Fluent 14показал, что в зоне замеров дисперсного состава капель значение числа Махапотока увеличивается от 0,4 до 0,5. Что позволяет использовать зондинерционного осаждения капель в подобных условиях.Решение задачи 4, поставленной в Главе 1, производилось наизолированной сопловой решетке. Кроме того, на этом объекте частичнореализовывалась задача 2 (см. Главу 1).

Рабочая часть для исследованияплоских пакетов сопловых решеток представлена на Рисунке 2.24.85Рисунок 2.24.Рабочая часть для исследования пакетов изолированных сопловых решетокГеометрические характеристики межлопаточного канала представлены наРисунке 2.25, а также в Таблице 3. Течение влажного пара рассматривалось врешетке, собранной из шести профилей, образующих 5 каналов. Исследованияпроводились в среднем канале, что минимизирует влияние границ плоскогопакета.Схема проточной части изображена на Рисунке 2.26.

Поток влажногопара направляется в плоский пакет (1) сопловых лопаток посредствомобтекателей (2, 3). В решетке он поворачивает и направляется в выхлопнуютрубу стенда КВП-2, после чего поступает в конденсатор. Для определенияполей скоростей жидкой фазы за средним каналом лазерный нож (4) водится впоток с помощью лазерного зонда (5), установленного в задней стенке рабочейчасти. Фотосъемка засвеченных трассеров производится через оптическоестекло (6), расположенное в вырезе на бандаже пакета лопаток (1). Дляминимизации негативного эффекта, связанного с наличием границ у плоскойрешетки (то есть для создания условия периодичности) за нижней лопаткой подуглом выхода потока установлена направляющая пластина (7).Сепарация водяной пленки со стенок подводящего канала осуществляетсячерез щели 8.

Схема отсоса была описана выше (см. Рисунок 2.20). Режим86течения контролировался с помощью зондов давления полного торможения (9)и температуры полного торможения (10) перед исследуемой решеткой. Навыходеизмерялосьстатическоедавлениечерез9дренажей(11),организованных на бандаже пакета с противоположной стороны от оптическогостекла (6).

Точки замера статического давления расположены вдоль шагарешетки таким образом, что область измерений ограничена кромочнымиследами (на Рисунке 2.26 они схематично обозначены позицией 12) двухлопаток, образующих исследуемый канал.87Рисунок 2.25.Геометрические характеристики каналаТаблица 3.Геометрические характеристики профиля сопловой лопатки и решеткиШиринаканала B,ммХордапрофиляb, мм46,167,5Толщинакромки Δкр,мм0,7Шагрешетки t,ммОтносительныйшаг, t = t/bУголвыходаα1эфУголустановки αуМинимальноесечение O1, ммОтносительнаятолщина кромкиΔкр = Δкр/O1Высоталопаткиl, мм48,50,717,643,114,70,0446,088Рисунок 2.26.Схема проточной части89Более детально область исследуемого канала отображена на Рисунке 2.27.Измерение статического давления за решеткой вдоль шага, как уже былоотмечено выше, производилось на боковой стенке рабочей части.

Дренажи длязамероврасположенынаотносительномрасстоянии = 0,1,котороеопределялось по следующей формуле:= ,(2.6)где – расстояние от выходной кромки сопловой лопатки (вдоль оси z наРисунке 2.27); – хорда профиля лопатки. Осредненное значение статическогодавления паровой фазы использовалось для определения теоретического числаМаха за сопловой решеткой:1 =0−1−12−1,(2.7)где - среднее статическое давление за решеткой; – показатель изоэнтропы(для влажного пара k = 1,13).Также вдоль шага исследуемого канала на середине высоты лопаткипроизводилось траверсирование давления полного торможения с цельюопределения профильных потерь кинетической энергии паровой фазы.

Дляэтого использовался зонд давления полного торможения (обозначен синимцветом на Рисунке 2.27), который был установлен на координатное устройство,позволяющее перемещать его вдоль оси x (см. Рисунок 2.27). Траверсированиепроизводилось на расстоянии = 0,1. Положение зонда вдоль шага (ось x наРисунке 2.26) относительно выходной кромки нижней лопатки исследуемогоканала изменялось в пределах шага в диапазоне = 0,45 − 1,45.

Безразмернаявеличина определяется следующим образом:= ,(2.8)где – положение вдоль шага решетки (ось х на Рисунке 2.27); - шаг решетки.90Рисунок 2.27.Схема измерений исследуемого каналаСхема применения системы лазерной диагностики для определения полейскоростей жидкой фазы за исследуемой сопловой решеткой принципиально неотличается от компоновки, используемой при изучении течения влажного парав суживающемся сопле.