Диссертация (1025751), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Срыв водяной пленки с выходной кромки лопаткиКак отмечалось в разделе 1.3.1 наиболее крупные капли, формируемые заканалами сопловой решетки, располагаются в области кромочного следа. Ихобразование связано со сходом пленки с выходной кромки профиля и еепоследующим дроблением паровым потоком.
Вопрос механизма образованиякрупнодисперсной влаги в этой области довольно подробно рассматривался вряде работ [2, 79, 45, 52, 14, 89].Визуальныйанализ дробленияпленок влагина сходе с кромокпроизводился в работах [45, 2] с помощью высокоскоростных фотокамер. Скромки происходило пульсирующее стягивание в кромочный след и возвращениеназад на лопатку пленки влаги. С набухшей пленки отделялся язычок влаги,который вытягивался вдоль кромочного следа, после чего от него отделялисьдискретные частицы. Частота схода пленки с сопловой кромки в значительной38мере определялась начальной влажностью. С ее увеличением количество сходов вединицу времени росло, при этом характер схода оставался неизменным.
Процесссрыва водяной пленки можно разделить на несколько этапов [45]:1. Накопление пленки на поверхности вблизи выходной кромки.2. Вытягивание язычка.3. Дробление его головной части.4. Стягивание оставшейся части язычка к кромке.5. Разгон и дробление капли в кромочном следе.Схематичное изображение полученных кадров представлено на Рисунке1.26.Рисунок 1.26.Кинограммы процесса схода пленки с лопаткиПри этом форма выходной кромки, как показано в [2] существенно влияетна механизмы образования крупнодисперсной влаги в кромочном следе.
В случаекососрезанной выходной кромки водяная пленка сохраняет сплошность и послесхода, причем средняя толщина пленки заметно возрастает в направлениидвижения. На некотором расстоянии с переднего фронта пленки вытягиваетсявеер тонких струек жидкости, с которых срываются крупные капли, а самиструйки после отрыва головной части распадаются на более мелкие частицы39жидкой фазы.
Автор [81] исследовал дисперсный состав крупнодисперсной влагив зависимости от формы выходной кромки. Полученные данные приведены наРисунке (см. Рисунок 1.27). С увеличением размера выходной кромки средниеразмеры капель, образовавшихся при срыве водяной пленки, уменьшаются, чтоблаготворно сказывается на уменьшении интенсивности эрозионного износавходных кромок рабочих лопаток. Однако, увеличение размеров выходныхкромок, в свою очередь, приводит к росту кромочных потерь паровой фазывследствие ухудшения ее обтекания основным потоком [21]. Наличие подобныхэффектов, которые исключают друг друга, требует решение задачи оптимизациидля нахождения размеров выходной кромки.
В [81] для сопловой решетки спрофилями С-90-15А рекомендуется выбирать Δкр = 1,4 – 1,8 мм.Рисунок 1.27.Влияние толщины и конфигурации кромки на массовый спектр капель влаги вкромочном следе при начальной влажности y0 = 5%Процесс схода водяной пленки с выходных кромок лопаток также приводитк изменению параметров паровой фазы в кромочной области. Подробныеисследования в данном направлении были проведены в работах [14, 59, 1].Рассматривались упрощенные экспериментальные модели в виде одиночныхплоских пластин и решеток из них. Данные исследования позволили получить40представления об изменении структуры течения паровой фазы при появленииводяных пленок на стенках канала.Врассмотренныхмоделяхсразличнымигеометрическимихарактеристиками выходных кромок выявлено изменение разряжения за кромкойкр при изменении начальной влажности пара (см.
Рисунок 1.28). Величина кропределяется как [9]:кр = кр −0,5 2.(1.4)Величины, отмеченные в формуле (1.4), представлены на Рисунке 1.28.Опыты показали, что для плоскосрезанной и скругленной кромок разряжение сростом влажности уменьшается, в то время как кососрезанная и двустороннезаостренная кромки оказались нечувствительны к изменению y0.Рисунок 1.28.Разряжение паровой фазы за кромкой при различной начальной влажности параОпыты [14] показали, что для рассмотрения структуры потока пара вкромочном следе, необходимо разделять характер движения в парокапельномслое вблизи стенки на 2 группы:411.Парокапельныйслойбезпленки.Вэтомслучаеобтеканиезаостренных кромок при увеличении начальной влажности сопровождаетсярасширением и углублением вихревых следов (увеличением разницы давленияполного торможения непосредственно за кромкой и в основном потоке), а дляплоскосрезанной и скругленной – к сужению [21]2.Присутствие водяной пленки на поверхности.
С ростом начальнойвлажности (и, как следствие, увеличением расхода в пленке), ширина и глубинакромочного следа для скругленной кромки начинает уменьшаться болееинтенсивно, чем в первом случае. Наблюдается существенный выигрыш прииспользовании скругленных выходных кромок по сравнению со срезанными.Как отмечается в [2] полученный набор экспериментальных данныхотчетливо подтверждает важную роль начального участка в процессах дробленияи коагуляции капель. Наиболее полные данные об изменении средних размеровкапель в кромочном следе были получены [14] на плоской пластине. Измеренияпроизводились вдоль оси пластины, результаты представлены на Рисунке 1.29Рисунок 1.29.Дисперсные характеристики капель в кромочном следе в зависимости от среза истепени влажности (а) и от толщины кромки (б). а) 1 – y0 = 1,3%; 2 – y0 = 7,3%; 3 –y0 = 11,1%; 4 – y0 = 16,2%; 5 – y0 = 17%;42При отсутствии водяной пленки на пластине среднемассовые размерыкапель резко уменьшаются вдоль следа, а затем вновь возрастают (линия 1 – наРисунке 1.29, а).
С ростом начальной влажности при y0 = 5% на поверхностипластины начинала образовываться тонкая пленка, в которой аккумулировалосьопределенное количество жидкости. Это приводит к увеличению среднихразмеров капель в потоке. При этом, как видно из Рисунка 1.29, а, областьактивногоуменьшениядиаметров,вкоторойпроисходитмеханическоеразрушение капель, сменяется зоной роста средних размеров, что свидетельствуето начале процессов коагуляции.Увеличение размеров капель за выходной кромкой с ростом начальнойвлажности напрямую связано с изменением расхода жидкой пленки.
Этоподтверждается Рисунком 1.29, б (в данном случае число Рейнольдса для пленкинапрямую определяет ее массовый расход). Как видно из представленных данных,увеличение массового расхода в пленке (рост Reпл) ведет к существенномуизменению дисперсного состава жидкой фазы в закромочной зоне. Кроме того,результаты исследования подтверждают описанные ранее данные о влияниитолщины выходной кромки на диаметры капель, образованных при дроблениипленки (см. Рисунок 1.29, б).Приведенные в настоящем разделе данные о характере распределениякрупнодисперсной влаги за сопловой решеткой и о механизмах ее образованиядают достаточно полное представление о характере движения крупных капель вмежосевом зазоре турбинной ступени.Однако, необходимо отметить, что течение многофазной среды зависит отбольшого количества геометрических и газодинамических параметров [30],которые определяют сложные механизмы взаимодействия фаз.
Таким образом,проявление каждого из источников крупнодисперсной влаги в межлопаточномканале и за ним в полной мере зависит от условий течения полидисперснойсреды.431.4. Механика движения крупнодисперсной влаги в проточных частяхтурбомашинПомимо знаний о характере распределения крупнодисперсной влаги засопловой решеткой, представляет значительный практический интерес изучениепроцессов движения инертной влаги в течении сплошной среды. Основнойзадачей подобного исследования является определение траекторий движенияосновных потоков капель в элементах проточных частей турбин. Подобныерезультаты должны в первую очередь определять особенности натекания крупныхчастиц в каналы рабочих решеток, а также выявлять основные места оседаниявлаги на поверхности межлопаточного канала сопловой решетки.1.4.1.
Силы, действующие на частицу в потоке газаВ целом (без учета процессов теплообмена между фазами), взаимодействиемежду каплями жидкости и паром носит механический характер [30]. Характертраекторийихраспространения,механизмовразрушенияикоагуляцииопределяется интенсивностью действующих на нее внешних сил.На Рисунке 1.30 представлены силы, действующие на частичку влаги внеинерциальной системе отсчета, движущуюся в потоке [17].Δ = п − к ,(1.5)где п – скорость паровой фазы; к - скорость частицы. Рассмотрены случаи, когдаскорость пара больше скорости капли (см.
Рисунок 1.30, а) и когда меньше (см.Рисунок 1.30, б). На Рисунке - сила аэродинамического сопротивления,обусловленная обтеканием сплошной средой сферического объекта; силыинерции, обусловленные реакцией частицы на изменение скорости газовой среды:1и , к.и (сила виртуальной массы, обусловленная ускорением несущей среды,увлекаемой каплей), кор (кориолисова сила), т.и (тангенциальная сила инерции);сила гравитационного воздействия ; сила Магнуса м , обусловленнаявращательным движением частицы с угловой скоростью .
Кроме того имеетместо сила, обусловленная наличием градиента давления основного потока.44Рисунок 1.30.Силы, действующие на сферическую твердую частицуКак показано в [61], условия, при которых частица жидкости движется впоследних ступенях паровых турбин, таковы, что всеми силами кроме силыаэродинамического сопротивления можно пренебречь. Однако некоторые авторыв своих исследованиях динамики движения инертных капель учитывают силувиртуальной присоединенной массы и силу, связанную с наличием градиентовдавления [72].Величинасилыаэродинамическогосопротивленияопределяетсяпоформуле: =гдеАк-площадь12Ак п п − к п − к ,поперечногосечениякапли;(1.6)–коэффициентаэродинамического сопротивления частицы, который в идеале учитываетдеформацию капли (отклонение от сферической формы), тепло - и массоперенос впограничном слое, развитие во времени пограничных слоев со стороны несущейфазы, внутрикапельную циркуляцию, нарастание во времени амплитудывынужденных колебаний формы капли [30].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
