Диссертация (1025751), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Многие из этих эффектов изучены в[134, 104, 55]. Однако на данный момент отсутствует достоверная картинавлияния этих процессов на коэффициент сопротивления сферической капли.Таким образом, при исследовании движения инертных капель используетсяклассический закон сопротивления твердой сферической частицы, обтекаемой45несжимаемым изотермическим потоком газа [23].
В работах для стандартногокоэффициента сопротивления вводятся поправки на сжимаемость основнойсреды, влияние нестационарности, турбулентности потока, температурногонапора между фазами [8, 23, 39, 126].1.4.2. Моделирование течения влажного параДля расчета процессов движения крупнодисперсной влаги (то есть решенияуравнения 1.6) в элементах проточных частей турбомашин, необходимы знания ораспределениипараметровпаровойфазы,входящихвуравнение1.6.Экспериментальные данные о скалярных и векторных полях этих характеристикполучить достаточно затруднительно, поэтому в данном случае, как правило,используются результаты математического моделировании течения сплошнойсреды в межлопаточных каналах.
В ранних работах по этой тематикеиспользовались графоаналитические методы с учетом сжимаемости среды [43],расчеты потенциальных течений перегретого пара [86]. В последнее время, сростом вычислительных возможностей компьютеров, активно используютсяметоды решения уравнений Эйлера и осредненных уравнений Навье – Стокса,описывающих течения сплошной среды [61, 115, 129, 95, 96, 72]. Основной идеейв реализации расчета двухфазной среды является предположение о том, что впотоке движется только мелкодисперсная влага, размерами которой можнопренебречь. На основе этого течение влажного пара представляется как течениесмеси двух сплошных сред в газообразном и жидком состоянии, а основныепараметры в каждой точке определяется следующим образом [91]: = в + (1 − )п ,(1.7)где - один из термодинамических параметров (энтальпия, энтропия и так далее); - влажность пара; индекс «в» – относится к параметрам жидкой фазы, а «п» паровой.
При этом используемые расчетные модели термодинамическогомежфазового взаимодействия учитывают процессы неравновесной конденсациипаровой и испарения жидкой фаз.46Заложенные в подобный подход для расчета влажно паровых потоковпредположения накладывают некоторый ряд ограничений, которые могутсущественно влиять на корректность получаемых данных:1.Так как двухфазная среда представляется как однофазная, каплидвижутся без скольжения по отношению к основному потоку вдоль его линийтока.Такимобразом,возможнорассмотрениеперемещениятолькомелкодисперсной влаги.
Кроме того, это подразумевает отсутствие механическихпотерь на разгон инертных крупных частиц влаги.2.Отсутствие учета формирования водяной пленки. Это связано сдовольно сложным математическим описанием организации бинарного жидкогоподслоя и процессов его взаимодействия с паровым потоком. Это естественноприводит к тому, что в расчете не учитываются те процессы формирования влагив межлопаточном канале, которые были описаны в разделе 1.3.3.Не учитываются процессы взаимодействия капель между собой.Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что при моделированиипотоков влажного пара учитываются только термодинамический характервзаимодействия фаз, а механическое взаимодействие между частицами жидкостии основным потоком считается незначительным. Подобное упрощение можетсчитаться справедливым при рассмотрении интегральных характеристик теченияв последних ступенях паровых турбин, поскольку, как было показано разделе 1.1,основная масса крупнодисперсной влаги сконцентрирована в узкой области,расположенной на периферии проточной части.
Основываясь на этом, численныеметоды довольно широко используются при исследовании влажнопаровыхпотоков в проточных частях паровых турбин [115, 129, 130, 61, 133, 30].В работах [129, 130] довольно подробно разобрано влияние различныхпроцессов, протекающих в конденсирующейся среде, на интегральные потериэнергии в ЦНД паровой турбины. По результатам проведенных делается вывод отом, что наибольший вклад в потери от присутствия в потоке влаги привноситтермодинамический процесс конденсации пара (сюда также входят потери отрасширенияпереохлажденногосухогопара),втовремякакявления47механического разгона крупных капель влияют довольно слабо – от 0,05% до0,2%.Подробные результаты о распределении различных потерь энергии,связанных с влажным паром, представлены в [115]. Авторы разделили процессыдиссипации энергии на следующие категории:Термодинамические потери, связанные с процессами теплопередачимежду фазами.
Включают в себя процессы ядрообразования вблизи зоныВильсона (Δ1 ).Механические потери на разгон мелкодисперсной влаги (Δ2 ).Механические потери на разгон крупных частиц влаги (Δ3 ) отвыходной кромки сопловой лопатки до входной кромки рабочей.Потери на удар при попадании крупных капель на поверхностирабочих лопаток (Δ4 ).Потери от формирования пленок на поверхности рабочей лопатки(Δ5 ). Важно подчеркнуть, что в данном случае рассматривается только тотэффект, который связан с исчезновением из межлопаточного канала влаги,которая впоследствии не будет совершать полезную работу.Потери от переноса пленки на поверхности рабочей лопатки кпериферийным сечением лопатки за счет центробежных сил (Δ6 ).Потери с выходной скоростью – разница кинетических энергий междуравновесным и неравновесным расширением пара в турбине за последнейступенью (Δ7 ).На Рисунке 1.31 представлены потери кинетической энергии, вызванныеналичием в потоке влажно парового потока.
На диаграмме отображеныинтегральные потери, рассчитанные в 4 последних ступенях паровой турбиныАЭС 1000 МВт. Как видно из представленных данных, наибольший вклад впотери привносят термодинамический процесс конденсации (Δ1 ) и оседаниеводяных пленок на поверхностях рабочих решеток (Δ5 ). При этом механическийразгон крупнодисперсной влаги практически не влияет на эффективность работы48паровой турбины. Автор данной диссертации считает, что представленныерезультаты являются неполными, хотя, безусловно, они представляют собойзначительный практический интерес.Рисунок 1.31.Потери энергии от влажностиОтсутствие учета формирования водяной пленки на поверхностях лопаток впредставленной работе (величина Δ5 , как показано выше, определяет толькопроцесс «исчезновения» влаги из канала) может привести к существенномуискажению картины течения в периферийной области.
Как показано в [44, 30, 70,78], появление водяной пленки на поверхности лопатки может приводить ксущественному изменению геометрии профиля, режиму его обтекания паровойфазой, а также происходит интенсификация процессов, описанных в разделах1.3.3 и 1.3.4.Экспериментальныеисследованиянамодельнойтурбинесцельювыявления потерь от проявления на поверхности сопловой решетки водянойпленкибылипроведеныв[40].Однакорезультатыбылиполученынеоднозначные, так как при обработке данных некоторые параметры имелиоценочный характер и не отражали реальные процессы в турбине. Данные поисследованию изолированных сопловых решеток [33, 4, 85, 22, 32, 34, 42, 36],когда искусственно создавалась крупнодисперсная влага на экспериментальном49стенде перед исследуемым объектом, показали, что наличие водяной пленки наповерхности лопатки существенно влияет на характеристики парового потока.
НаРисунке 1.32 представлено распределение профильных потерь кинетическойэнергии за решеткой вдоль ее шага [36].Рисунок 1.32.Распределение потерь по шагу за сопловой решеткой. 1 – перегретый пар; 2– начальная влажность y0 = 4,8%Как видно из представленных данных, переход от перегретого пара квлажному приводит к существенному изменению параметров основного потока вобласти кромочного следа, где происходит срыв и дробление водяной пленки.Таким образом, примоделированиитеченияпотокавлажногопаравпериферийной области последних ступеней паровых турбин, использование трехвыше описанных допущений может привести к несколько некорректнымрезультатам, так как в расчете не учитываются сложные процессы формированияи схода пленки с поверхности лопатки.В качестве валидации расчетных методов в современной литературеиспользуются две работы [93, 133].
Авторы проводили измерения профильныхпотерь кинетической энергии за пакетами плоских решеток и сравнили с50результатамиматематическогомоделирования.Рабочейсредойявлялсяперегретый и влажный пар, поступающий на экспериментальный стенд изотборов паровой турбины. Средние размеры капель перед исследуемым каналомбыли равны 0,6 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
