Диссертация (1025751), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Приэтом активное развитие экспериментальных методов исследования (системылазерной диагностики, пневмометрических и оптических измерений), а такжебурное совершенствование численного решения задач механики сплошных сред(совместно с ростом вычислительных возможностей компьютеров и кластеров)создаютблагоприятныепредпосылкидляболеедетальногоизученияособенностей течения двухфазной конденсирующейся среды.
Кроме того,появляется возможность для построения работоспособных математическихмоделей описания процессов, протекающих при взаимодействии дискретнойсреды с основным потоком.Вданнойдиссертациипредставленорасчетно-экспериментальноеисследование движения влажнопарового потока за плоской изолированнойсопловой решеткой. Работа с применением современных методов изучениядвухфазных сред (как экспериментальных, так и численных) проводилась влаборатории оптико-физических исследований (ЛОФИ) кафедры ПГТ НИУ МЭИпод руководством профессора, доктора технических наук Грибина В.Г.
Эталаборатория была одним из наиболее значимых центров по исследованиювлажнопаровых потоков в период 60- 80ых годов прошлого века. Здесь былорешено большое количество прикладных и фундаментальных проблем, связанныхс течением двухфазных сред в элементов проточных частей турбомашин. В 2007году при непосредственном участии автора, эта лаборатория подвергласьглубокой модернизацией, включавшей себя замену всей арматуры и штатныхсистем измерения.
На данный момент ЛОФИ, оборудованная по последнему6слову техники, способна решать широкий круг задач, связанных с течениемдвухфазных сред в проточных частях турбомашин.В настоящей работе разработана экспериментально-расчетная методикаопределения средних размеров капель, а такжерассматривается характердвижения крупнодисперсной влаги за сопловой решеткой.Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю,всему коллективу ЛОФИ и своей семье. Отдельную признательность хотелось бывыразить Гаврилову И.Ю.
за длительную и плодотворную совместную научнуюдеятельность и дружбу. Также автор хотел бы отметить важный вклад врезультаты своей работы со стороны механиков ЛОФИ – Маликова Е.И иТретьякова В.И.7Глава 1. Обзор литературных данныхС момента появления первых конденсационных паровых турбин вот уже напротяжении более ста лет проводятся экспериментальные исследования течениявлажного пара в их проточных частях. При этом далеко не все важные проблемырешены к настоящему времени с необходимой полнотой. Поэтому наряду сизучением конкретных инженерных вопросов при проектировании современныхэкономичных последних ступеней паровых турбин, необходимо продолжениефундаментальных расчетно-экспериментальных исследований для выявленияособенностей движения дискретной фазы в спутном потоке пара, а такжеизучения процессов, проявляющихся при течении двухфазной среды.В целом, наличие в потоке дискретной фазы или условий для еевозникновения приводят к интенсификации следующих процессов [22]:Неравновесность процесса расширения в решетках ступени.Появление скачков конденсации при сверхзвуковых скоростях.Скольжение, взаимодействие с пленками, дробление и коагуляциякапель в ступени.Увеличение интенсивности трения в пространственных пограничныхслоях на поверхности лопаток вследствие присутствия пленок.Торможение капельным потоком рабочей решетки.Специфическая конденсационная нестационарность.Нарушение расчетного (оптимального) обтекания профилей решеток.Отклонение параметров в зазорах от расчетных значений.Увеличение выходных потерь.Эрозионные и коррозионные повреждения сопловых и рабочихлопаток.Присутствующие в канале частицы дискретной фазы характеризуются впервую очередь дисперсным составом, который определяет основные параметрывлаги в потоке.
Условно их можно разделить на крупнодисперсные имелкодисперсные [80]:8Мелкодисперсная влага – характерный размер соответствует величинеdк < 2 мкм. Частицы, движутся вдоль линий тока паровой фазы.Крупнодисперсная влага - dк > 2 мкм. Частицы движутся ссущественным скольжением по отношению к паровой фазе.Необходимо отметить, что данная градация является условной, так в работе[46] крупными каплями являются те, размеры которых больше 4 мкм, в работе[38] – 10 мкм, а в [86] – 5 мкм. Как показано в [43] критерий разделения капель накрупные и мелкие в полной мере определяется геометрией канала и режимомтечения.
При этом автор [22] считает, что более правильно вообще отказаться оттакой градации, так как совершенно очевидно, что капли размером 5-30 мкмимеют иные гидродинамические характеристики и оказывают иное влияние нанесущую фазу, чем капли 0,1-1 и 100-300 мкм. Тем не менее, крупнодисперснаявлага является основным источником эрозионного износа поверхностей рабочихлопаток цилиндров низкого давления паровых турбин [70]. В качестве примера,на Рисунке 1.1 представлены фотографии поврежденных рабочих лопатоквследствие воздействия на них крупных капель [136].Рисунок 1.1.Эрозионный износ рабочих лопаток последней ступениАктуальность проблемы эрозионного износа рабочих лопаток на данныймомент стоит довольно остро. Это вызвано необходимостью проектированиявысокоэкономичных паровых турбин с повышенной площадью выхлопа и какследствие большой окружной скоростью.
Обобщенные данные о характереэрозионного повреждения лопаток, представленные в [58], указывают на то, что9увеличение скорости соударения (вследствие увеличения окружной скорости) ирост размеров капель, попадающих на поверхность рабочих лопаток турбины,существенно интенсифицируют процессы износа материала. Например, приокружной скорости порядка 400 м/с предельное значение влажности передрабочей решеткой последней ступени не должно превышать 10%, а при 500 м/с –4% [76] При этом авторы отмечают на недостаточную изученность характеристикжидкой фазы в межлопаточном зазоре.1.1. Характер распределения крупнодисперсной влаги в последнихступенях турбинДискретная фаза в последних ступенях паровых турбин распределенадовольно неравномерно [69, 30, 35, 44, 46, 48].
Экспериментальные исследования,проведенные на модельных и натурных турбинах, показывают, что наибольшаямассовая составляющая влаги сконцентрирована у периферии. На Рисунке 1.2представлено распределение относительной степени влажности по высоте зарабочейрешеткойступенейбольшойверностиподаннымразличныхорганизаций, обобщенных в работе [109]. На основе представленных данныхможно сделать вывод, что существенное влияние влажности на характер течениядвухфазной среды будет проявляться именно в периферийных сечениях ступени.Распределение абсолютного значения влажности по высоте, измеренное передпоследней ступенью экспериментальной паровой турбины [125], подтверждаетданный вывод (см.
Рисунок 1.3). При этом помимо характера распределениямассовой составляющей в турбине важно знать дисперсный состав влаги. Это впервую очередь необходимо для предсказания местоположения зон эрозионногоизноса. Существует большое количество исследований, проведенных в этойобласти [136, 125, 80]. Из них следует, что капли, движущиеся в проточной частитурбины имеют преимущественно малые размеры.10Рисунок 1.2.Распределение относительной степени влажности по высоте за рабочей решеткойступеней большой верности по данным различных организаций. 1 – опыты ЦКТИ,2 – ХТГЗ, 3 – МЭИ, 4 – Паметрада1l0,90,80,70,60,50,40,30,20,1y000,020,040,060,080,10,120,14Рисунок 1.3.Распределение влажности перед последней ступенью турбины по высоте11Данные экспериментальные результаты подтверждаются работами повыявлению крупной влаги в последних ступенях паровой турбины мощностью500 МВт и экспериментальной машине [112, 46].
Масса крупных капель в этихисследованиях определялась зондом-ловушкой, аналогичным зонду отпечатков, изондоминерционногоосаждения.Вданныхисследованияхмассоваясоставляющая крупных капель в потоке оказалась в диапазоне 5-8% процентов отобщей массовой составляющей жидкой фазы. Кроме того порядка 40% всей влагиперед последней ступенью сконцентрировано в периферийных сечениях.Подробный анализ дисперсного состава крупных капель в турбине выполнен вработе [136] с помощью специально разработанного оптического зонда поизмерению размеров частиц дискретной фазы в точке на турбине с номинальноймощностью 350 МВт.
На Рисунке 1.4 представлены распределения влажностимелкодисперсных и крупнодисперсных капель при различных режимах работымашины. Как видно из Рисунка, при работе турбины на номинальном режиме (350МВт) в области периферийных сечений массовая составляющая крупных капельоказалась выше, чем мелкодисперсной влаги.В той же работе рассматривается распределение размеров крупных частицна различных высотах лопатки (см. Рисунок 1.5). Как видно из представленныхданных, в области периферии лопаткидисперсный состав капель большихразмеров заполняется наиболее полно в широком диапазоне диаметров – в потокеприсутствуют частицы дискретной фазы размерами от 50 мкм до 400 мкмк.12Рисунок 1.4.Изменение влажности (массовой составляющей от всего расхода влажнопарового потока) крупных (coarse), мелких(fine) и суммарной массовой составляющей (total) по высоте за последней ступенью при различных значениях мощноститурбины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
