Диссертация (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин), страница 9

разделы 1.3.1 и 1.3.2), представляет собойдовольно сложную задачу, так как необходимо траверсирование большого числаточек потока за исследуемой решеткой. Однако применение современныхметодов позволяет получать распределение полей характеристик дискретных фаз.1.5. Современные методы исследования скоростных характеристикпотокаВ настоящее время широко применяются методы бесконтактной лазернойдиагностики потоков – PIV, PTV, позволяющие определять поля скоростей частицв потоке.

Характер их работы принципиальным образом отличается от методов,описанных выше. Основой является обработка полученных картин образовзасвеченных лазером частиц [57]. Полномасштабная реализация подобныхметодовсталавозможнатолькопослепоявлениядостаточномощныхкомпьютеров.Существует большое количество работ, в которых лазерная диагностикапотоков была успешно применена [111, 124, 98, 102, 114]. PIV, PTV методы в этихисследованиях использовались для определения скоростей несущей фазы:исследуемое течение искусственно засеивалось дискретными частицами –трассерами, имеющими малые размеры и двигающимися практически соскоростью основного потока. В работе [127] исследовалось поле скоростей вокругпрофиля крыла.

Схема проведения эксперимента представлена на Рисунке 1.35.Воздух,искусственнозаполненныйтрассерами(вданномслучаеиспользовались монодисперсные капли масла), поступает в исследуемую область,в которой установлен профиль. Лазер, создавая два последовательных импульса,засвечивает частицы в потоке, а получаемая картина фиксируется регистратором56изображения (фотокамерой, экраном), после чего происходит ее обработка. Врезультате, в предположении, что трассеры движутся практически со скоростьюнесущей фазы, было получено распределение скоростей потока вокруг профиля,представленное на Рисунке 1.36.Рисунок 1.35.Схема экспериментаРисунок 1.36.Поле скоростей, полученное PIV методом57Основными достоинством PIV, PTV методов являются: бесконтактность,возможность получения мгновенных полей распределения скоростей [58].Применение PIV метода в последнее время широко используется дляисследования характера течения однофазных потоков в проточных частях турбин[108, 135].

Схема исследования скоростных характеристик потока в осевом зазорепредставлена на Рисунке 1.37. Рассмотрено 2 подхода к применению системлазерной диагностики с применением эндоскопов. В обоих случаях основнойидеей является введение лазерного ножа в проточную часть турбины иобеспечение возможности получения фотографий засвеченных трассеров.Подобная компоновка позволяет минимизировать аэродинамическое возмущение,вносимоевпотоквведениемоптическихприборов.Какрезультат,корреляционный метод PIV позволяет получать мгновенные и осредненные поляскоростей турбины (см. Рисунок 1.38).До недавнего времени корреляционные методы определения полейскоростей PIV для исследования течения влажного пара в элементах проточныхчастей паровых турбин не применялись. Автор данной работы не нашелпубликаций сторонних авторов о проведении подобных исследований.Рисунок 1.37.Схема применения PIV метода для исследования характера течения в турбине[108]58Рисунок 1.38.Осредненное поле скоростей потока в осевом зазоре турбины [135]Необходимо отметить исключительную важность применения PIV методадля исследования структуры потока капель в области за сопловой решеткой.Получаемые в результате применения системы лазерной диагностики векторныеполя несут в себе информацию о проявлениях различных источниковкрупнодисперсных капель в канале, описанных в разделах 1.3.1 – 1.3.3, чтопозволяет более подробно исследовать структуру потока в различных зонахпотока.

Детальный анализ полученных данных позволяет выявить и определитьосновные характеристики сформированных частиц жидкой фазы за сопловойрешеткой. Кроме того, особенности подхода к определению скоростей,основывающиеся на фотографиях засвеченных трассеров, позволяют проводитьдетальный визуальный анализ структуры капельного потока в исследуемыхканалах.Особенностьюприменениемсистемпроведенныхлазернойнаданныйдиагностикимоментпотоковисследованийявляетсято,счторассматриваются поля скоростей сплошной среды, основываясь на данныхмонодисперсных трассеров, движущихся со скоростями основного потока.Другими словами данная система не адаптирована для ее применение в условияхполидисперсной дискретной среды, На данный момент отсутствуют методы59выделения отдельных потоков и классификации капель по их размерам (накрупные и мелкие). Кроме того, применяемый на данный момент подход поиспользованию PIV метода, не учитывает различных негативных явлений,связанных с наличием жидкой фазы, которые будут описаны в Главе 3.1.6.

Постановка задачи на исследованиеОбзор литературы показал, что основная масса крупных частиц влаги,которые вызывают эрозионный износ рабочих лопаток последних ступенейпаровых турбин, формируется в периферийной области за сопловой решеткой. Еемассовая составляющая может достигать 50% от всего расхода дискретной фазы вданной зоне.

Проведено большое количество фундаментальных исследований дляопределения основных параметров капель больших диаметров в осевом зазоретурбинной ступени. На основе полученных данных имеются представления охарактере распределения потоков крупнодисперсной влаги. При этом влияниеразличных явлений образования эрозионно-опасных капель, а также процессовмежфазового и внутри фазового взаимодействия существенно зависит отгеометрии профилей лопаток и режимных параметров течения.

Важно отметить,что комплексное экспериментальное исследование распределения характеристикчастиц жидкой фазы точечными методами (которые измеряют параметры среды вточке) является довольно сложной и длительной операцией. По этой причине наданный момент отсутствует информация о параметрах жидкой фазы во всеммежосевом пространстве, что не позволяет в полной мере судить о характеренатекания различных потоков капель на входные кромки рабочих лопатокПроцесс движения частиц дискретной фазы в межлопаточном канале впервую очередь определяется размерами капель, а также геометрией профиля.Обзор работ по данному направлению показал, что при диаметре частиц больше 5мкм их траектории начинают существенно отклоняться от линий тока несущегопотока, что приводит к интенсификации оседания крупной влаги на поверхностилопаток.

Математическое моделирование влажнопаровых потоков, котороешироко применяется в настоящее время, довольно корректно определяетпараметры многофазной среды при условии наличия в течении только мелких60частиц. При этом сложность математического описания формирования жидкихпленок на стенках профилей, явлений срыва и отражения капель не позволяютмоделировать движение крупнодисперсных частиц в осевом зазоре ступенейпаровых турбин.Применение современных методов лазерной диагностики для исследованиятечения полидисперсных сред в перспективе позволит получать мгновенные истатистически осредненные поля скоростей дискретной фазы, которые несут всебе информацию обо всех потоках капель, образованных в межлопаточныхканалахсопловыхрешеток.Полученныеданныепозволятпроводитькомплексные исследования течения влажнопаровых потоков в осевых зазорахтурбинных ступеней.

Однако, в силу того, что корреляционный метод PIV в этойобластинеприменялся,наданныймоментотсутствуетнекоторыйинструментарий по обработке получаемой информации. В первую очередь этоуменьшение негативных влияний, связанных с наличием в потоке жидкой фазы,на качество получаемых данных, а также отсеивание мелкодисперсной влаги сцелью исследования движения крупных капель в потоке.Экспериментальные данные о векторных полях скоростей жидкой фазы, атакже результаты численного моделирования параметров основного потока,позволяют решить задачу по определению средних размеров капель вдоль иххарактерных траекторий за сопловой решеткой.Таким образом, из обзора литературы вытекают следующие задачи дляисследования:1.Разработать эффективную методику применения системы лазернойдиагностики для определения скоростных характеристик крупных капель впотоке.2.Настроить и проверить математическую модель влажнопаровыхпотоков для обеспечения получения корректных данных о параметрах паровойфазы при наличии крупнодисперсной влаги в потоке.3.Разработать и верифицировать методику бесконтактного определениясредних размеров крупных капель вдоль их траекторий основываясь на61экспериментально определенных полях скоростей жидкой фазы и данных опаровом потоке, полученных методом математического моделирования.4.Опробовать разработанные методы и подходы при исследованииструктуры капельного потока за изолированной сопловой решеткой и определитьвлияние режимных параметров на распределение основных характеристик частицжидкой фазы в потоке.62Глава 2.

Экспериментальный стенд, модели и методика исследований2.1. Методика экспериментальных исследований2.1.1. Тепловая схема экспериментальной установкиИсследовательская работа выполнялась на пародинамическом стенде КВП(контур влажного пара), который расположен на кафедре паровых и газовыхтурбин НИУ МЭИ. Данная экспериментальная установка имеет общую тепловуюсхему с учебно-экспериментальной ТЭЦ МЭИ.

В состав стенда входит несколькоотдельных объектов: КВП-1, КВП-2, КВП-3, КВП-4, КВП-6, которые призванырешать различные задачи, связанные с течением двухфазных сред в проточныхчастях паровых турбин. При этом они позволяют реализовывать широкий спектррежимных параметров потока как по числу теоретического числа Маха (дозвук,трансзвук, сверхзвук), так и по начальному состоянию пара (перегретый, сухойнасыщенный, влажный).ИсследованияпроводилисьнаэкспериментальномстендеКВП-2,принципиальная тепловая схема которого представлена на Рисунке 2.1.Рисунок 2.1.Принципиальная тепловая схема стенда КВП-2.