Моделирование влажнопаровых турбин

Моделирование влажнопаровых турбин

Процессы течения двухфазной среды во влажнопаровых турбинах (ВПТ) очень сложны и их не всегда можно изучить теоретически с необходимой для практики точностью. Гипотезы, выдвигаемые при исследовании двухфазных потоков (ДФП), требуют проверки и совершенствования. Поэтому экспериментальное исследование физических явлений во ВПТ является основой развития их теории.

При проектировании ВПТ в еще большей степени, чем для турбин перегретого пара и газа, необходимо знать  границы возможного использования опытных данных.

Натурные испытания ВПТ, проводимые в первой половине 20 века, дали возможность оценивать общее влияние влажности на работу турбинных ступеней и позволили решить многие практические задачи развития ВПТ. Вместе с тем физическая сущность процессов в ВПТ во многом не до конца изучена.

Натурные испытания ВПТ проводятся, но они очень сложны, дорогостоящи, поэтому их следует реализовывать лишь как завершающий этап определения оценки эффекта от внесенных в ВПТ усовершенствований на базе модельных испытаний.

При изучении очень сложных процессов в двухфазной среде целесообразно исследовать отдельные стороны процессов на моделях:

- пластины (движение пленок);

- прямые сопла (механизм процесса конденсации);

- плоские решетки профилей (двухмерные задачи);

- кольцевые решетки профилей (пространственные задачи);

Рекомендуемые материалы

- экспериментальные турбины, близкие по структуре к натурным ВПТ.

Практика показывает, что и опыты на моделях трудоемкие, сложные и дорогостоящие. Отсюда вытекает, что испытания моделей ВПТ разумно организовывать таким образом, чтобы повторения избежать. Т.е., при испытании ВПТ больше всего уделять внимание их особенностям. В частности, наряду с изучением критериев гидродинамического подобия потоков изучить подобие фазовых превращений.

Следует помнить, что два подобных явления отличаются лишь масштабами величин, а подобные физические явления описываются одними и теми же безразмерными уравнениями. Т.е., при полном подобии физических явлений все характеризующие процесс величины в любых точках модели получаются путем умножения тех же величин в соответствующих точках натуры свой постоянный скалярный множитель – коэффициент подобия.

Для ДФП условия геометрического и кинематического подобия имеют свои особенности.

1. Геометрическое подобие.

Проточная часть модели получается пропорциональным изменением всех размеров натуры, в том числе и зазоров в лопаточном аппарате. Для двухфазной среды этого недостаточно.

Капли, взвешенные в потоке, можно рассматривать как внешние сферические тела переменного радиуса, обтекаемые паровой фазой. С этой точки зрения в гидродинамическом подобии ДФП необходимо соблюдать геометрическое подобие не только проточной части, но и движущихся с потоком капель, т.е. геометрический масштаб, выбранный для модели, должен распространяться также и на капли.

Число капель в каждой группе и в каждый момент должно сохраняться одинаковым, а размеры капель и расстояние между ними – изменяться в заданном масштабе.

Т.е. натурный движущийся единичный объем двухфазной среды в модели с линейным уменьшением в k раз, должен быть представлен объемом в k³ раз меньше, с таким же уменьшением массы каждой капли и с сохранением числа капель. Общее число капель в единице объема модели нужно увеличивать в k³ раз. Массовые степени влажности при этом одинаковы в натуре и в модели. Массовая степень влажности – отношение в элементарном объеме массы жидкой фазы к массе газообразной фазы. Объемная степень влажности – отношение объема жидкой фазы к объему газообразной в выделенном объеме.

Следовательно, одно из условий геометрического подобия ДФП – определенная дисперсность жидкой фазы в моделях. Дисперсность – характеристика размера частиц (степень раздробленности) какого-либо тела в дисперсных системах. Мера дисперсности – отношение общей поверхности всех частиц к их суммарному объему. Мелкодисперсная влага – совокупность таких капель, которые имеют векторы скоростей близкие к векторам скорости парового потока их окружающего. Вся остальная влага – крупнодисперсная.

Проблема приближенного моделирования ДФП может рассматриваться при независимом выборе масштабов проточной части модели и капель. При этом целесообразно сохранение одинаковыми в натуре и в модели (по возможности) основных уравнений механики, обеспечивающих подобие полей скоростей и давлений.

Например, можно вводить два масштаба:

- для проточной части ;

- для капель .

2. Кинематическое подобие.

Кинематически подобные проточные части турбомашин в любых сходственных точках в каждый момент времени имеют векторы скоростей, отличающиеся только постоянным скалярным множителем. При кинематическом подобии ДФП сохраняются соотношения скоростей обеих фаз. Поэтому при одной и той же массовой степени влажности () и выполнении условий кинематического подобия остается одинаковой также расходная степень влажности (у = idem). Расходная степень влажности – отношение расходов через элемент dF живого сечения потока жидкой и газообразной фаз.

3. Газодинамическое подобие

Основные уравнения газодинамики выписываются в безразмерных величинах. Из них получаем критерии подобия: Re, Fr, Eu, Sh, M = , где  - скорость парового потока.

Re - силы вязкости, Fr - массовые силы, Eu - силы давления, Sh - критерий гомохронности, M - сжимаемость.

А также получаем критерий одинаковой массовой степени влажности  = idem, где  - скорость капель.

Люди также интересуются этой лекцией: 15 Личные права и свободы, их характеристика, практика реализации в РФ.

Среди новых критериев отметим критерий аэродинамических сил, который выражает мощность, затрачиваемую на разгон капель

,

где  и  - масштабы капель и проточной части.

 и  - массовая плотность капель и парового потока.

 - коэффициент лобового сопротивления.

Этот критерий (К) позволяет применять воздух для исследования ДФП.