Диссертация (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин), страница 4

Развитие оптическихметодов измерения дисперсного состава жидкой фазы позволило активноиспользовать их при исследовании двухфазных потоков в проточных частях21паровых турбин. В [125] определены средние размеры дискретных частиц впоследнейступениэкспериментальноймодельнойтурбины,ав[136]доработанный оптический зонд позволил определить как дисперсный составкрупных капель в потоке, так и их скорость и концентрацию.Рисунок 1.11.Схема оптического зонда для измерения крупных частиц методом малоугловогорассеяния света1.2.2. Определение скоростей капельВ двухфазных течениях, включающих светорассеивающие частицы,эффективно используется лазерная доплеровская анемометрия – бесконтактныйметод измерения скорости движения жидкой фазы [31].

Оптическая диагностикадвухфазныхсредиспользуетлазерныедоплеровскиеанемометрыподифференциальной схеме (ЛДА) и лазерные решеточные анемометры (ЛРА). ДляЛРА не требуется когерентного источника света, поэтому данная установка имеетболее простую оптическую схему, однако результаты применения ЛДА менее«зашумлены». На Рисунке 1.12 представлен принцип действия ЛДА. Луч лазера(1) расщепляется в узле (2) на два пучка одинаковой интенсивности, сходящихся вточке А канала, где вдоль оси х движутся капли. Свет, рассеянный вдоль оси y,собирается объективом 3 на поверхность катода фотоприемника 5.

В точке22пересечениялучей(А)возникаетпространственнаясинусоидальнаяинтерференционная решетка, при пролете светорассеивающей частицы сконечной скоростью (cк), возникает модуляция рассеянного каплей света сдоплеровской частотой, напрямую пропорциональной величине cк.Рисунок 1.12.Схема ЛДАСхема ЛРА изображена на Рисунке 1.13. Луч лазера 1 фокусируется линзой2 в некоторой точке А потока. Изображение этих объективом 3 переносится наплоскость решетки – модулятора 4, расположенного на катоде фотоприемника 5.Рисунок 1.13.Схема ЛРАЛазерная анемометрия используется для определения скорости, угланаправления и турбулентности частиц жидкой фазы. Однако в связи с большим23пространственным разрешением, устойчивая работа ЛДА и ЛРА возможна прималой массовой концентрации жидкой фазы – около 1% [31].1.3.

Структура капельной среды за сопловыми решетками турбины1.3.1. Области проявления эрозионно-опасной влаги за сопловойрешеткойЭкспериментальные исследования [33, 26, 81, 37, 25], проведенные накафедре ПГТ МЭИ, позволяют построить достаточно подробную модельструктуры парокапельных потоков в сопловых решетках турбин.

Исследованияструктуры капельных потоков в межлопаточных каналах и межлопаточныхзазорах проведены в работе [15]. При y0 > 0 (y0 – начальная влажность пара передрешеткой) в межлопаточном канале формируется несколько характерных потоковвлаги различных размеров. Их схематическое изображение представлено наРисунке 1.14.Рисунок 1.14.Схема течения влажного пара в сопловой решеткеI – поток первичной влаги, проходящей канал без контакта с егоповерхностью; II – капли, отраженные вогнутой поверхностью, выбитыепервичными каплями или сорванные с пленки на вогнутой поверхности паровымпотоком; III – капли, отраженные входной кромкой, сорванные и выбитые из24пленки на входном участке профиля; IV – капли, образовавшиеся из пленки наконфузорном и диффузорном участках спинки в косом срезе; V – капли,образовавшиеся при дроблении пленки, стекающей с выходных кромок лопаток;VI – парокапельный пограничный слой над пленками, характеризующийсяинтенсивным перемещением частиц разных размеров в пленку и ядро потока.Важно подчеркнуть, что все вышеперечисленные потоки дискретной фазыявляются эрозионно-опасными [7].В работе [15] подробно рассмотрен дисперсный состав влаги в сечении засопловой решеткой.

Диаметры частиц определялись с помощью специальноразработанного зонда, используемого при небольших дозвуковых скоростях.Принцип работы заключается в инерционном осаждении капель на покрытуювязким слоем пластину. Полученные отпечатки капель фотографировались иобрабатывались.

На Рисунке 1.15 представлены результаты экспериментальногоисследования структуры двухфазного потока в разных точках вдоль плоскостивыходных кромок сопловой решетки С-9012А. На входе перед решеткоймассовый модальный размер капель был несколько больше 55 мкм. Из Рисункавидно, что в разных точках наблюдаются многопиковые характеристики. Этообъясняется прежде всего наличием нескольких источников образования капельразличного размера, описанных выше. Естественно, что в результате каждого изэтих процессов образуются частицы своего характерного размера, которыйзависит от конкретных условий в области их возникновения. Как видно изпредставленного Рисунка, наиболее крупные дискретные частицы движутся завыходной кромкой лопатки ( = 0) – их модальный диаметр превышает 200 мкм.Полнота картины будет не полной без рассмотрения распределения среднихразмеров (среднемассовых) частиц вдоль шага при различных значенияхначальной влажности пара (см.

Рисунок 1.16). Как видно из представленныхданных, четкая по дисперсности граница кромочного следа имеет место только состороны спинки профиля лопатки.25Рисунок 1.15.Дисперсность влаги за сопловой решеткой. а,б – зависимость /Σ отмодального диаметра капель по шагу сопловой решетки (x = x/t = 0,1; y0 = 2,5%;M1t = 0,7)Рисунок 1.16.Распределение средних размеров капель за сопловой решеткой вдоль шага приразличных значениях начальной влажности пара26Измерения показали также наличие крупных капель в ядре потока примернона расстоянии = 0,2 − 0,35 от кромочного следа со стороны спинки лопатки.Возникновение крупнодисперсной влаги в ядре потока объясняется отрывомпленок с поверхностей лопатки и дроблением (рекошетированием) капель влагипри соприкосновении со смоченной поверхностью лопатки.

В решетках большогошага наблюдается также срыв крупных капель с участка максимальной кривизныповерхности спинки лопатки [31]. При анализе структуры капельных потоков зарешеткой важно учитывать их взаимодействие между собой [21].Вработе[25]былопределенсредниймодальныйдиаметркрупнодисперсной влаги, формирующейся в межлопаточном сопловом канале иза ним.

Так размеры капель, образованных за счет срыва и уноса с поверхностипленки составляют 100-150 мкм; размеры отраженных частиц соответствуютдиаметрам капель перед исследуемой решеткой. Самым крупными, какотмечалось выше, являются частицы дискретной фазы, образовавшиеся за счетсрыва водяной пленки с выходной кромки (более 200 мкм) и в результатедиффузорного срыва с выпуклой поверхности профиля (170 – 200 мкм).В работах [42, 41] результаты исследования качественно совпадают сприведенными данными только в области кромочного следа, что в первуюочередь связано с различиями в подготовке парокапельной среды и вгеометрических характеристиках канала.Приведенные данные о структуре капельного потока в межлопаточномканале сопловых решеток и за ним основываются на измерении дисперсногосостава крупной влаги. Таким образом, можно сказать, что схема, изображеннаяна Рисунке 1.14, была получена неявным образом, то есть по косвеннымпризнакам проявления источников крупнодисперсных капель на распределенияхразмеров дискретной среды.

Определенный интерес представляет собойвизуальный анализ структуры капельного потока, который позволяет довольноподробно исследовать характер течения дискретной фазы. По результатам работы[89], в котором решалась данная задача, была получена картина движения влаги,представленная на Рисунке 1.17.27Рисунок 1.17.Картина течения влажного пара в каналах сопловой решетки. 1 – переднийкапельный подслой; 2, 3 – передние кромочные следы; 4 – бинарный слой; 5 –кромочный след; 6 – ядро потокаКапли влаги, сталкиваясь с входной кромкой лопатки, дают началопереднему капельному подслою (1).

Передний кромочный след со сторонывыпуклой поверхности профиля (2) отрывается на расстоянии е1 = 0,2b (где b –хорда лопатки) от входной кромки. Частично влага из следа попадает на вогнутуюповерхность на участке e2 = 0 – 0,005b. Передний след со стороны вогнутойповерхности профиля (3), наибольшая толщина которого достигала порядка 0,05b,на расстоянии e2 = 0,25b от входной кромки становится боле тонким и переходитв капельный подслой бинарного слоя (4), текущего по вогнутой поверхностилопатки. Важно отметить, что представленный анализ несет оценочный характер,так как производилось только визуальное наблюдение за движением частицжидкой фазы без подробного анализа их дисперсного состава.Представленные данные показывают, что интенсивность проявления техили иных потоков течения крупнодисперсной влаги во многом зависит отгеометрических параметров решетки [4] и режимов течения [81].Анализируярезультатыопытныхисследований,следуетучитыватьабсолютные значения и диапазоны изменения наиболее важных критериевподобия, являющихся одновременно режимными параметрами проточной части[22] – начальная влажность (y0), теоретическое число Маха за решеткой (M1t),отношение плотностей фаз (), и так далее.

Безусловно, для более подробного28исследования влажнопаровых потоков необходимо учитывать и другие параметрытечения [30].1.3.2. Влияние режимных параметров на характеристики жидкой фазыза сопловой решеткой турбиныВопрос влияния режимных параметров на характеристики жидкой фазы засопловой решеткой затрагивается в большом количестве экспериментальных иисследовательских работ [26, 75, 32, 33, 24, 85, 61]. В [21, 30, 31] эти данныеобобщены и систематизированы.

Важной характеристикой движения жидкойфазы является коэффициент скольжения = к /п (где к - скорость капель; п скорость паровой фазы). Данная величина, помимо скоростных параметровжидкой фазы, «отслеживает» изменение дисперсного состава крупнодисперснойвлаги – крупные капли, которые более инертные, имеют заниженные значения ,в то время как частицы малых диаметров увлекаются основным потоком иразгоняются заметно быстрее [31].На Рисунке 1.18 представлены распределения коэффициентов скольжения = к /п (где к - скорость капель; п - скорость паровой фазы). Важно отметить,что в исследуемой решетке практически отсутствует «аэродинамическая тень»,чтопозволяетнекоторымпотокамкрупныхкапельперемещатьсявмежлопаточном канале без контакта со стенками лопаток.

Как видно изпредставленных данных, максимальные скорости имеют капли в ядре потока, аминимальные в кромочном следе. Автор диссертации хотел бы указать насущественно низкие значениякоэффициентов скольжения, определенныхэкспериментально.С увеличением теоретического числа Маха за решеткой (см. Рисунок 1.18,а) коэффициенты скольжения в ядре потока уменьшаются, а в зонахкрупнодисперсной влаги - увеличиваются в связи с интенсификацией процессовдробления.Влияние числа Рейнольдса также велико (см. Рисунок 1.18, б).