автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Дисперсный состав жидкой фазы и газодинамические характеристики сверхзвуковых сопел на влажном паре

ол

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (Технический университет)

На правах рукописи

Маши Хуссейн Вахиб

Дисперсный состав жидкой фазы и газодинамические характеристики сверхзвуковых сопел на влажном паре

Специальности^. 04.12 - Турбомашины и турбоустановки' ^

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском энергетическом институте.

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Дейч м. Е.

Научный консультант: кандидат технических наук с. н. с. Куршаков А. В.

Официальные оппоненты: доктор Технических наук профессор Казновский С. И кандидат технических наук с. н. с. Фельдберг Л А.

Ведущая организация: Калужский турбинный

Защита состоится в аудитории Б-409 ¿¿¿'Р^'/с'*-!99^г. в (}£ час.мин. на заседании специализированного совета К 053.16.05 Московского энергетического института. Отзывы на автореферат в двух экземплярах» заверенные печатью организации, просим направлять по' адресу:

105835 ГСП, г. Шсква, Е-250к Красноказарменная ул., д. 14, • Ученый Совет. МЭИ.

С диссертацией мояшо ознакомиться в библиотеке МЭЙ.

У ¡г.

Автореферат разослан "_" '_ 1993 г.

Ученый секретарь спешшиэированого Совета

к.т.н., с.н.с. Чзт^и___Лебедева

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Для повышения эффективности влаж-" ногаровых турбин необходимы подробные газодинамические исследования решеток на влажном паре и их оптимизация с целью уменьше-.ния потерь от влажности и повышения эрозионной надежности. Имеющиеся результаты не позволяют решить оптимизационные- задачи ■ в особенности для сверхзвуковых скоростей, характерных для последних ступеней мошных паровых турбин.

В этой связи представляется очевидной актуальность работы, посвященной разработке и практическому применению метода измерения дисперсности при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, а также получению дисперсных и газодинамических характеристик потока влажного пара в соплах Лаваля.

1. Разработать одиночные сопла Лаваля приближенно моделирующие межлопаточные каналы сверхзвуковых решеток, отличавшиеся соотношением длин суживающейся и расширяющейся частей и провести их экспериментальные исследования в широком диапазоне режи--~шв-на_влажном паре. ,

2. Разрабедать оптическую установку, основанную на методе малых углов,1,позволяющую измерять размеры жидкой фазы (капель) при различной степени дисперсности и локальные влажности в соплах Лаваля при разных режимах. '

3. Установить взаимодействие капель со скачками уплотнения на нерасчетных режимах работы сопел Лавояя и определить интенсивность дробления капель в зависимости от положения.„скачка в расширяющейся части сопел.

4. Получить подробные диспер'сные характеристики дискретной фазы вдоль сопел и в поперечных сечениях при различных влажное^ ти и режимах работы сопел разной геометрии.

5. Установить влияние соотношения длин суживающейся и расширяющейся частей на дисперсность жидкой фазы в соплах Лаваяя. '

6. Определить локальные значения влажности в соплах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны и испытаны сверхзвуковые сопла, приближенно моделирующие межлопаточные каналы сверхзвуковых решеток;

- получены подробные дисперсные характеристики жидкой фазы

(капель) при различных, начальной влажности и режимах в соплах Днваля, отличающиеся геометрическими параметрами (. соотношением длины суживающейся и расширяющейся частей);

- разработана и реализована оптическая установка, основанная на методе малых углов, позволяющая измерить размеры капель в широком диапазоне изменения их диаметров. Дополнена и развита, теоретическая база метода малых углов применительно к выбранной оптической схеме;

- подтверждено, что скачки уплотнения.в расширяющейся части сопла на нерасчетных режимах приводят к интенсивному дроблению капель в зависимости от положения скачка (и, следовательно, его интенсивности);

- получены новые дополнительные данные, иллюстрирующие взаимодействие конденсационных и адиабатических скачков в соп-. лах Лаваля на влажном паре;

- даны подробные физические объяснения результатам исследований дисперсного состава жидкой Фазы на основе анализа газодинамической структуры потока в соплах.

Степень достоверности и обоснованности результатов.

Основные научные положения, изложенные в работе,, подтверждены большим количеством экспериментальных результатов, полученных с применением пневмометрических и оптического методов. Использованные надежные методы измерений и выполненная оценка погрешностей позволяют утверждать, что полученные экспериментальные данные достоверны. В этом убеждает также сопоставление газодинамических характеристик сопел.с аналогичными результатами других авторов на перегретом и влажном паре.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были изложены:

1. На семинаре "Актуальные проблемы технического прогресса судовых турбинных установок", С.-Петербург, май 1992г.

2. На" газодинамическом семинаре юфедры ПГТ.МЭИ, ноябрь 1993г.

3. На заседании 'кафедры ПГТ МЭИ, декабрь 1993г.

Публикации.. По результатам выполненных исследований выпу- '

щены техническая информация и научно-технический отчет.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты необходимы для более глубокого понимания сложных физических процессов в сверхзвуковых потоках влажного пара в соплах

: * 5 "

Лаваля. Реализованная оптическая установка мо.жет быть использована , для анализа дисперсного состава влаги и при исследовании ' других объектов (решеток, каналов) без каких-либо изменений.

Опытные данные подтверждают правильность нового подхода к про. филированию сопел Лаваля и сверхзвуковых решеток, каналы которых должны быть выполнены с протяженным суживающимся участком и

• коротким расширяющимся. Результат)»! опытов могут быть использо-■ ваны для расчетного определения эффективности сопел на влажном

• паре. • '

Личный шощ авто])а_ Автором щголнен о0го£ и анализ литературных данных, разработана и обоснована программа исследований, разработана методика экспериментальных исследований. Создано оптическое устройство, основанное на методе малых углов, обеспечивающее исследование полидисперсной жидкой фавн (капель) в Каналах. Проведен» экспериментальное исследования одиночных ' сопел, составляющих главнее содержите диссертации, предложены объяснения Физических явлений, установленных в опытах.

Автор ¡защищает. Методику оптического исследования диепере-^Тюйтогтдкдйфази в потоках влажного пара, результаты экспериментального ^ис^адования сопел Лаваля па влажном паре, предложенные объяснения физичёских^явлешш, установленных в опытах, целесообразность практического применения- сопел и решеток с укороченной расширяющейся частью. '

Структура побьем работы. Диссертация изложена на 229 страницах, включает 153 страниц машинописного текста, иллюстрируется 76 рисунками и состоит из введения, четырех "гяе}в, выводов и заключения и списка использованной литературы из 1БО наименований. -•

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации. Устанавливается основное направление исследования и его практическая важность, дается общая характеристика работы,

В первой гласа представлен обзор опубликованных работ, посвященных течениям конденсирующегося и влажного пара в-сверх-звуковых соплах и в сопловых решетках. Отмечены основные направления проводимых исследований потоков насыщенного пара в соплах, ориентированные на изучение процесса спонтанной конденсации (скачков конденсации), адиабатических скачков, потерь. • обусловленных дискретной фазой на расчет ом и нерасчетном режи-

мах, пульсационных процессов, связанных с конденсационной нестационарностью, обусловленной миграцией конденсационных скачков.

Систематизация опытных данных позволила оценить влияние начальных параметров и некоторых критериев подобия на положение, форму и интенсивность конденсационных скачков.

Вместе с тем, важная задача о структуре дискретной фазы в соплах, возможной коагуляции или дробления капель экспериментально практически не изучалась.

Особое внимание в обзоре уделено влиянию начальной влажности на газодинамические характеристики сопел Лаваля. Отмеча-. ется, что значительное число работ посвящено установлению параметров, характеризующих особые режимы сопел (расчетные, предельные, со скачками уплотнения в расширяющейся чзсти и на срезе сопла). Эта группа исследований была ориентирована на сопоставление характеристик сопел, работающих на однофазной, и двухфазной средах. В меньшем объеме выполнены исследования, позволяйте оценить влийние профиля суживающейся и расширяющейся частей на газодинамические характеристики сопел. Эти задачи рассматривались, в основном, в расчетном плане, причем для монодисперсной структуры. Следовательно, важные особенности физического процесса образования полидисперсной структуры жидких частиц, связанных с фаговыми переходами (конденсация и испарение, дробление и коагуляция) авторами в большинстве работ не учитывались.

Анализ литературных данных показал, что течение-пара с начальной влажностью в соплах -Лаваля сопровождается спонтанной конденсацией и за минимальным сечением возникают конденсационные скачки.' Следовательно,, наличие жидкой фазы перед соплом не снимает переохлаждения несущей ¿¡азы и благодаря большой-скорости расширения вблизи минимального сечения нераглювесность процесса расширения паровой фазы сохраняется. На этом основании сделан вывод, что на режимах с начальной влажностью возмокло появление конденсационной нестационарности, если степень расширения сопла выбрана небольшой ( V - П / Г* - < 1,15-1.2 ) где Р1 , Г* - выходное и критическое сечения сопла).

Существенным недостатком проведенных исследований следует считать отсутствие данных, характеризующих структуру жидкой фазы в суживающихся и расширяющихся частях сопла, что затрудняет анализ физических процессов в соплах и решение оптимизационных

задач. Структура дискретной фазы весьма существенно меняется в зависимости от режима работы сопла, т. е. от отношения давлений ¿а- Ра / Ро . Соответствующие опытные данные представлены в литературе далеко не в полном объеме.

В первую глзву включены также данные о результатах исследований сверхзвуковых решеток турбин с раеиирявицшися каналами. Здесь также зафиксировано практически полное отсутствие данных, характеризующих структуру дискретной фазы в таких решетах. . ' В связи с направленностью настоящей работы в первую главу включен, краткий обзор современных оптических методов исследования двухфазных потоков и, в частности, методов измерений дисперсности жидкой фазы.

В заключение обзора сформулированы задачи, решаемые б диссертации: разработка оптической установки для определения ' структуры дисперсной фазы в соплах Лаваля и решетках турбин, : проведение экспериментальных исследований парокапельннх потоков в соплах Лаваля, исследование влияния некоторых геометрических и режимных параметров на структуру дискретной фазы в соплах.

Вторая" глава посвящена описанию стенда, способов подготовки рабочеи~^5аеад^да исследования сопел. Опыты проводились на влажном паре. Испытания <^опел Лаваля" позволили проверить влияние некоторых геометрический* режимных параметров на структуру и дисперсные '.характеристики двухфазного^потока..

Исследовались четыре плоских сопла <>"шириной канала 60 мм и три сопла', шириной 40 мм. Bee сопла выполнены на расчетное .. число Маха М1т- 1,6. Суживающиеся части, спрофилированные по лемнискате, а расширяющиеся рассчитаны по методу - характеристик. Профиль одного из сопел и геометрические параметры испытанных моделей даны на рис.1. Плоские профилированные стенки сопел дренировались: дренажные отверстия располагались в шахматном порядке и использовались для измерения осредненных во времени давлений. Давления торможения измерялись зондами, проверенными в потоках влажного пара. Основные геометрические параметры испытанных сопел и размеры каналов приведены на рис. 2. Структура потока в соплах изучалась также визуальным методом с помощью оптического прибора ИАБ-451. Результаты, полученные различными методами сопоставлялись.

В главе Z уделено внимание описанию установки, созданной для измерения o>w>=pop. капель в соплах. Чяно описание принцип«-

- е -

альной схемы установки, приводится оценка погрешности намерения размеров капель, оцениваемая на уровне РМ-У.5 X.

сопла испытывалипь в широком диапяяоне режимов по числу Маха М1т(или отношению давлений га -Ра/Р0).Перед соплом намерялась температура торможения. В процессе иямерения фиксировался перепад давлений торможения. Проверенная расчетная оценка подводила установить, что газодинамические характеристики сопел определялись о погрешностью,, не превышающей Ь-НХ.

Третья глава посвящена некоторым метода).« и результатам исследования структуры дискретной среды в элементах проточной части и, в основном, обоснованию метода малых углов для ияуче-ния полидиспероной среды.' рассматриваются конкретные конструкции оптических вондов, использованных для диагностики диоперо-ного состава крупных капель в натурных турбинах, принцип действия которых основан на методе малых углов, предложенным К.с.Шифриным. Представлены результаты намерении, полученные о помощью оптического яонда. Покаяано, что наиболее представительные данные о ряямерях капель могут быть Полунины п исполь-вованием оптико-ялектронных методов и, прежде всего, основанных на законах светорассеяния.

Йторяя часть главы й посвящена обоснованию метода малых углов для подилиопероной средн. Принципиальная охема созданной установки представлена на рио.8.

При мядоугловой диагностике крупнодиоперсной влаги в потоке, в котором присутствует также и мелкие капли о диаметром меньше 4 мкм, необходимо учитывать «вменение падающего излучения яя счет высокодисперсной влаги.

В атом случае регистрируемый световой поток под малыми углами можно предлтамть следующей зависимостью:

Г. НЮ - И + 1Ф (5) I «*Р (- к Ь ) + 1м (р) ,где 1(р) - угловое распределение потока пвета на крупных частицах; 1ф(0) - угловое распределение фонового ивлучения источника света; 1м(р) - угловое распределение потока света, рассеянного под ма-' лыми углами на высокодиспероных частицах. I К - ИЛ (а / И)2п1 , где к - кояффцент ослабления , .Учитывается то ооотоятельство, что световой поток,рассеянный частицей под малыми углями, быстро убывает при уменьшении ее диаметра. Коатому в случае диагностики полидиспероной среды, представляющей попой пар о преимущественно крупными каплями и

- Q -

малой долей мелких капель, (например, парокАпельный поток в периферийных печениях межпрофильнкх каналов сопловых и рабочих ретет-ок мощных паровых туроин), абсолютное винчение потоки оре-та 1м tfl) , рассеянного под малыми углами на выоокодие.персинх чаотицах пренебрежительно мало.

Принимая во внимание овяяь потоков падающего иялучения под нулевым углом рассеяния до и посля раоочей части о двухфяяннм потоком, определяемой соотношением (яаконя Ьугеря)

io-ioo fixp О К Ь ) , малоугловое распределение потока оветд на крупных частицах 1(0} преооряяуется к виду

НЮ - £J (Ю ( loo / Ь ) - 1ф (Ю • •Таким оОразом, проинведя измерения i((i), 1ф(р) ИооИо i можно о высокой о.тепенып точиопти восстановить I(¡i) двке при наличии ослабления,свяяянного п релеевским рассеянием на малых кяплях и пользуясь иявеотной методикой ооряоотки яксперимкн-тальннх данных, предложенной проф. к.и.Шифриным, подучить функции распределения размеров капель.Для оценки локальной влажности —уо - |%л ^ (Г"п + тол ) 1 где

твл - мяо7№~-«апяль вляги в единице оОъемя-, тп - мясо я пяра в'единице ооадмя,' можно воспользоваться ЯАВИОИМООТЬЮ

тел - ( Р fl3m / и~Ь-п р* , где

г)т - модальный диаметр кдлель; v - концентрация капель; Рх - плотность воды.При ятом концентрация капель при известном их размере легко может Онть няйденя ия ядкона кугера., ДЛЯ крупных капель коэффициент оплавления К равен двум.

На рио.Н покляяно срявненйе янАчений степени влажности, измеренное методом тепло-массового оаланоя и оптическим методом. Как видно при иявептном рАяОросе реяультятов средние яня-чения степени влажности, измеренные равными методами, олияки между собой.

Таким оОряяом, в глава ;-( покяяяно, что использование оптических методов, основанных ня яяконях оветоряснеяния и светоп-ропускяния, позволяет получить информяцип не только о дисперсном состАве пярокАпельногп потока, но и определить его средне-МАсоорую влажность.

Четвертая глава посвящена реяультятям исследований одиночных сопел Дяваля при различных перепядях давлений ня перегретом

- 10 - , л влажном паре и. в .основном, дисперсных характеристик среды. Основные геометрические и режимные параметры испытанных сопел приведены в таблице на рис.1. Здесь: М1т - расчетное число Маха, отвечающее иеоэвтропийному процессу; ¿1 - соответствующее отношению давлений; ¿кт - отношение давлений, отвечающее режиму с • прямым скачком в выходном сечении; Lm предельное отношение давлений, соответствующее достижению критической скорости в ми-. нимальном сечении сопла, но дозвуковым скоростям в расширяющейся части. ;

Распределение давлений по длине сопел NIA и N2A приведено; на рис. 4. На нерасчетных режимах с повышенным давлением sa соплом зафиксирована известная картина течения со скачками в расширяющейся части сопла. С ростом противодавления скачки перемещаются против потока. •

Действительные значения отношений давлений^к,^т), характеризующих режимы бесскачкового"течения в сопле (fck) и предельные режимы (fcm) не совпадают с теоретическими, определенными в предположении, что пограничный слой отсутствует.. Так, для сопла N 1 (рйс.За) теоретические значения ^-кт и£тг составляют 0,35 и 0,84, " а действительные оказались более низкими ¿к = 0,3 и fcm - 0,75.

Характерными особенностями распределения давлений для сопла N ЗА (рис. 36) следует считать смещение скачков в направлении к выходному сечению, увеличение интенсивности скачков при заданном ta и расширении областей в сверхзвуковой части,на протяжении которых при бесскачковых режимах ( £а <£к ) фиксируется значительное расхождение между расчетными и экспериментальными ... кривыми^ х) . Отмечаемое расхождение начинается непосредственно за участком максимальных отрицательных градиентов давления» на котором совпадение расчетных и опытных кривых давлений вполне удовлетворительное. На этом основании можно предположить, что на участке максимальных dp/clx пограничный слой на стенках сопла -ламинаризированный. Следовательно, за минимальным сечением происходит переход ламинарного режима в турбулентный и • толшина слоя резко возрастает. При этом уменьшаются эффективные проходные сечения и возрастают относительные давления по сравнению с расчетными, полученными без учета пограничного слоя. В сопле HZ на режимах(£а > ¿к) течение за скачками - коифузорное, а в соплах . NN 3 и 4 - диффузорное.

Существенные изменения в распределении давлений в расширя-

- 11 - ' ющейся части обнаруживаются при переходе к насыщенному и гавл-ному пару. Изменение кривых ¿(х) обусловлены конденсационными скачками,- возникающими за критическим сечением сопла. В самом коротком сопле на режиме Ьа=0,73 скачок конденсации практически совпадает с адиабатическим. На режимах, близких к расчетному, повышение давлений " в конденсационном скачке невелико, однако распределение давлений существенно отличается от расчетного. В отличие от,' перегретого пара расхождение между теоретической и действительной кривыми давлений начинается от места возникновения , конденсационного скачка. Следовательно, конденсационные скачки турбулизируют пограничный слой в расширяющейся части сопла.".

, Распределение давлений и визуальные исследования в поле оптического прибора позволили оценить положение конденсационных и адиабатических скачков в расширяющихся частях сопел. Соответствующие -результаты подтверждают (рис.7), что с увеличением длины расширяющейся части относительное расстояние между критическим сечением и адиабатическим скачком интенсивно возрастает: скачки смещены по потоку по сравнению с соплами, имеющими короткие' сверхзвуковые части. Этот результат объясняется влиянием профильных градиентов давления, интенсивно возрастающих с • умейыиением длины расширяющейся части.' Переход к насыщенному и влажному пару приводит к значительному увеличению Хек , т.е. к. смещению скачков по потоку.

С изменением режима (ба) и начального состояния пара меняет ся интенсивность скачков. При фиксированном отношении давлений интенсивность скачков на перегретом паре существенно возрастает с увеличением длины расширяющейся части. Так для сопла HI максимальное значение Р2/Р1» 1,7 , а для сопла N4 - Р2/Р1-= 1,95 при £а= 0,63. На влажном паре уь-мньшаются абсолютные значения ' и меняется форма кривых Р2 / Р1 (£<) ; конденсационные скачки создают повышенное давление перед адиабатическими в диапазоне < £а = 0,6 - 0,7.

Визуальные исследования подтверждает особенности.структуры потока в соплах. На слабоперегретом, насыщенном и влажном паре адиабатическому скачку предшествует конденсационный скачок, положение и форма которого практически не зависят от fca , но меняются при изменении начального перегрева Д То. При. некотором отношении давлений ta адиабатический и конденсационный скачки

i • - 12 -сливается. Такой режим сопровождается более интенсивными колебаниями тлка. При (фиксированном значении ta Цюрма конденсационного скачка зависит от длины сверхзвуковой части сопла: в наиболее .коротких соплах скачки моотообразные, а в соплах N3 и N4 - прямые. Следовательно, форма и положение конденсационных скачков зависит от продольных градиентов давления, что подтверждает и'углубляет вывод об определяющем влиянии скорости расширения Р'- - ( 1/Р.Н dP/db) на положение и форму скачков. Появление i скачка, конденсации приводит к изменению положения и интенсивности адиабатических скачков. 4

При движении в сопле парокапельного потока размеры капель являются одним из наиболее существенных параметров, определяющих интегральные характеристики всего потока:. В двухфазном • течении 1 дисперсность жидкой фазы изменяется в результате дробления капель паровым потоком, массобмена между каплями, фазовых переходов (частичной конденсации и испарения). Массобмон происходит в процессе столкновения капель, вызывающего либо слияние капель,'либо обмен массой, либо дробление. Реализуется и сложный массообмен, в котором присутствуют все три.стадии.'-При'этойР' происходит и сложная деформация капе'ль, участвующих в массобме-не. ' . - ' "

.Измерения размеров капель в соплах с различной длиной расширяющейся части осуществлялось при переменной влажности и различных перепадах давления вдоль средней линии канала и в нескольких поперечных сечениях. Начальная влажность менялась в пределах от Уо=4% доУо-10%; отношение давлений варьировалось от£а=0,5 noik-0,75. При этом диаметр капель перед соплами колебался в пределах с';о= 50 - 70 mkm в зависимости от Уо и Ьа . Размеры капель определялись в суживающейся и расширяющейся частйх соп- . ла, а также на некотором участке струи за выходным сечением.

Результаты измерений дисперсности в сопле с наиболее короткой расширяющейся частью (сопло NIA) представлены на рис. ôa ■ при начальной влажности Уо=4,6%. Опыты показали, что структура дискретной фазы является полидисперсной и в пределах расширяющейся части диаметры капель меняются от dK=- 5С мкм до dK - 90110 мкм. т.е. примерно в два раза. Вместе с тем, наиболее значительное изменение dk отмечается в зоне расположения конденсационных .и адиа атических скачков уплотнения.' Характерно, что опыты показали значительное увеличение размеров капель перед

адиабатическими скачками и столь же резкое уменьшение dk в области за скачками. .Изменение размеров капель существенно зависит от-режима работы сопла, т.е. от отношения давлений Ьа Наиболее существенное изменение отмечается на режимах, приближающихся к предельному ( îa - ¿m ).

Можно предположить, что в зоне перед скачками интенсифицируется процесс коагуляции капель, а при пересечении скачка реализуется дробление жидкой фазы. В рассматриваемом процессе важную роль играет осцилляция скачков, оказывающая значительное влияние на интенсивность, процессов коагуляции и дробления в скачках.

Данные, • приведенные на рис. 9а, показывают своеобразное изменение размеров капель за пределами выходного сечения (х> ' 55мм). Здесь на режимах ¿а=»0,74 зафиксирован весьма интенсивный рост диаметров капель. Можно предположить, что значительная коагуляция связана с влиянием отрывной зоны, обусловленной внезапным расширением за выходным сечением сопла. Повидимому, ее влияние на коагуляционные процессы особенно велико на режимах, близких к предельному,.когда скорости потока в сопле и за ним -дозвуковые. Это обстоятельство способствует активному взаимодействию циркуляционного течения в зоне внезапного расширения' со струей, вытекающей из сопла.

■ В рассматриваемом сопле NIA распределение диаметров капель в поперечном сечении характеризуется некоторой иеравномер- -ностью. Однако, поля дисперсности в поперечных сечениях сопла оказываются значительно более равномерными, чем вдоль его оси.. Здесь диаметры капель меняются в пределах 40 - 50 мкм в зависимости от режима ( ta ).

Для сопла NIA характерно незначительное.изменение -диаметров капель в суживающейся части на участке х —20 мм и в начальном участке расширяющейся части (х » 10 мм), где размеры капель меняются в узких пределах dK =60 - 70 мкм'в исследованном диапазоне режимов и ¿а = 0,54 - 0,74.

При увеличении начальной влажности до Уо- 6,?Х обший характер распределения размеров капель вдоль сопла сохраняется. Однако, диапазон колебаний с!к в зависимости от ta увеличивается. Поведение капель перед и за скачками качественно сохраняется неизменным: отмечается коагуляция капель перед скачком и интенсивное дробление за ним. На режиме, близком к предельному (£а -

1 - м -

0,74) 'б струе за соплом (.в зоне внезапного расширения) фиксируется значительное увеличение диаметра капель idK-- 150 мкм). Некоторое увеличение отмечается в поперечных сечениях сопла, одна ко, неравномерность полей дисперсности сохраняется незначитель- ,' ной■ (die GO - 80 мкм).

Дальнейшее увеличение начальной влажности доУо=9,75Х приво-; дит к Изменению структуры дисперсности в том же направлении: j возрастает средний диаметр капель в суживающейся и расширяющей- j ся частях сопла (рис.96) и в поперечных сечениях. Отмечается : дроблч^ие капель, пересекающих зону осцилляции дкачков. В зоне 1 внезапного расширения за соплом (зона циркуляционного течения) зафиксированы процессы интенсивной коагуляции и дробления. • Более значительно проявляется влияние отношения давлений на структуру дисперсности. .. '

Изложенное выше подтверждается 'распределениями диаметров капель при постоянных значениях ¡а, но при переменной влажности. Переход от режима £а= 0,54 к режиму £а = 0,74 приводит к существенному 'изменению дисперсности при изменении начальной влажности в пределах Уо= 4,6 - 9,757. . 0собенно_в_елико-~различие В" метрах капель в зоне расположения'адиабатических скачков, а также а области циркуляционного течения за соплом. Очевидно, что .обнаруженные различия в распределении диаметров капель вдоль сопла объясняются изменениями структуры несущей фазы при переходе от ¿а = 0,54 kta - 0,74. В частности, меняется положение и интенсивность скачков, распределение давлений и термодинамических температур.

Следует также учитывать воздействие пульсационных процессов, возникающих в зонах отрыва и осциляции скачков. Естественно, что в областях наиболее интенсивных пульсаций процессы коагуляции и дробления активизируются. - При этом не- исключена возможность значительного изменения дисперсной структуры жидкой фазы.при относительно небольших отклонениях режима (£а ). Следует подчеркнуть, что .наиболее значительное изменение диаметров капель отвечает области максимальных пульсаций давления, расположенной на участках расширяющейся части, где озникают скачки и за ними.

Графики на . рис. б отчетливо подтверждают, что смещение скачков к выход!к,1у сечению на режиме £а= 0,54 приводит к существенной стабилизации дисперсной структуры по сравнению с режимом

; ■„ ; ¿-Г'-'

4 = 19

>.г» угг»! ».гц и»

1. 1.Н 1.11 1.М «.?<! | ш I и

«. 1.11 ».»[».из! «.я; 1.и») с.8? I» »:»

I. 1.5» ».55 1.!«? 1.2.'

г. г.г» I.iti.ru «.:«,

|.(Г.' г.Г.7 )

1.1. Схм СОША 11МЛ1 («) * 4О<0*Й»« Г."»_--.« ( росхмп* яфштыдо! мэдал^ (в) .

р.,. г. к«."". >-" •>*•«*•«*•

ЮН , о.-.. »»•«••

(ггрч! < гр«»~» мнртй я» «.г..»

,ЯГ5 0

ркс.З. Схеи» уствяэвга для взи5?гго:я ргсс«я;яя спет»!

I.Источник света т»аоиД л»«р копргргеного д«лстм«я

тип» ЛГН-207А. гЛЗУ (типо-51).

3.Елоя питания ВСВ-1.

4.Цунт кмякрояшириетрУ тяп» М-95.

5.ПоказыЕ«гацяЯ прибор тип«- 95.

6.ДиМР'Ч'Мн.

?.Рабочей часть дяя вспвтвнкя соп«д Лавадк.

Ь. Исследемо» сопяо. 'ЛТвнееоЯ прибор КАБ-451. Ю.П«рш««кяя оптической скстами.

0.7»

iWm

<0 50 60 70 80 ТО 100 ПО 120 рис. 4. Спектрм размеров капель е согле Лаваля fca-O,60 :>'<>=■£,7у„ •

Yo %

»0 '7 в

7.» ----

7.4 ; 7.2 70 6»

00 5в • SS -J- -Ы •

ы ■ ъо -f-. о so

Cini^^f М

TÍ? "aío"^' o'tr^oto o jí

Ca

?ие. 6. Сравнен«« днвчениЯ стелек* мамтст* измеренных оптичвсши и балансов« методами Ус6,7./,

Рис. б . Распределение давлений вдоль сопла MIA и Л'ЗА при различных режимах пляжного-пара ( yo = 4,65¡? ) • ©73: »€-?а=0.66 5 5-^0.61 :Д-£а»,0.53.

Г?*/Г»1

---**/>« "vjf

. i. . WJ* 1ЧГTV ?A. »J*»./ !>h

... . J ....>.. .

0 4) 0.M 015 О «Q 0 О io

•) г«м.в •/•

Ък

0.^ о v> о ^ о 70 0 7>

S) To»».75

f*t,7. ib*fw*wM miumu entwt » «wniAc ¿м*д* «търоЦ rnmrn» m u«mM rwp* i ммеямоетя pr

• ' • • • • • » • . . «л 0.50 O.S* e.co 0.70 O./C

4) 0^.6*..

too -r

t 90 t

I во 1 /»» 1 60 i vt 140 »JO

I го

MO

1.00 •.

0*0 00 ом О.«*- oi<J Q-i* 070 0.7* - t) % Ряе.в.Дмив# огижмм д»м*ч* ил ihmm • )<мси гмр* лая «ооа rpjnm» А;

Jk Vvm

Jk MVM

TTt.T.i.^.t

♦тгтдтгг^гт г —i-г"

¿0.-0 г,3 » С0И.М1А i • io-Q GG I Yo-9 ГЛ »

- to - ГО О Г0 40 60 80 too Рис. 9. Распределение дисперсности капель вдоль оси сопле Л&валя №1А при раличных режимах Уо=4,6%:Уо9,79£.

40 «0 120 |Ю

Рис.1 10. Распределение дисперсности капель вдооль оси сопла Лаваля №ЗА при различных режимах Уо=4,2:Уо=9,4ы .

«я« . • э »' ......

:> ив» гклчюок , I

*-V

J. .1 _ -». - 1 - -I- . -

-..и.;..;.

; * : ? -. ........__- . .

!

'«ММ«

бо во .в 6

гI • Ьг» 11г»1«}тт|Иттп+ггп+тттт^»>и1щ||*1иЬщ1 ог^ г> Ю «■) ОРЬ * 1(1

ЭЛ' <-к ")*< ск

^ич^оч 1(441« к

: ©

© :

0 ОС Ь 13

..I, 4м. I ■

ос ь 'о

Рис. II. Рнзмэр капель перед и за скачксм уплотнения (^согтлв Лазеля №1А при Уо=4,6^ и У 0=9,75$. не различных расстояниях от.оси сопла.

- ики

I ГО сю

с а - 0,74. .

Таким образом, анализ .структуры жидкой фазы в coi№ til Л отчетливо подтверждает определяющее влияние распределения термодинамических параметров (давлений и температур) на размеры капель и их изменение вдоль сопла. Следовательно, дисперсная структура в сопле Лаваля определяется режимом работы сопла и , в меньшей степени, начальной влажностью.

Исследования сопел N2A и N3A, отличающиеся длиной расширяющейся части, позволяют оценить влияние некоторых геометрических параметров на дисперсность жидкой фазы. Опыты подтвердили, что и в сопле N2A размеры капель существенно меняются вдоль оси. Минимальные диаметры капель зафиксированы -в суживающейся частй (с!к= 50 мкм) и в струе за выходным сечением сопла. В пределах расширяющейся части, измерения подтверждают значительное увеличение диаметров капель перед адиабатическими скачками.

Однако, при постоянном противодавлении ¿а - const по мере увеличения начальной влажности интенсивность роста капель снижается, что, возможно, связано с увеличением энергозатрат на разгон капель в предыдущих участках сопла, снюкению коэффициентов скольжения и, как следствие, уменьшению коагуляционных процессов. Каки в предыдущих соплах в сопле с наиболее длинной расширяющейся частью (сопло N3A) при начальной влажности'Уо=> 4,2% (рис. 10а) максимальное изменение диаметров капель отмечается в гоне конденсационных и адиабатических скачков уплотнения. Это изменение зависит от противодавления( 6а) . На режимах, близких к предельному (ta Ьт ), наблюдается наибольшее изменение диаметров капель. В зоне за пределами выходного сечения наблюдается интенсивный рост капель, что связано с процессом коагуляции в отрывной зоне.' ' . '

В поперечных сечениях фиксируется также неравномерное поле ' дисперсности, причем при переходе от оси сопла к стенке в зоне скачка уплотнения (перед и за ним) неравномерность вначале па-•дает, а затем растет.

При увеличении начальной влажности до Уо= 6,8% , а затем до Уо= 9,4% (рис.106) характер изменения эпюр дисперсности вдоль сопла сохраняется: перед скачком имеет место коагуляция капель, а за ним - интенсивное дробление. При этом средний диаметр капель растет как в суживающейся, так и ' в расширяющейся частях сопла. Важно отметить, что при сохранении обшей тенденции измене-

- 'А) -

ния ! дисперсного состава к соплах Лнвяля о различной скорость» расширения Р' отчетливо прослеживается выравнивания япшр дисперсности вдоль сопла п уменьшением <1К/с1х . Нтот результат отклоняется уменьшением интенсивности конденсационных и адиабатических скачков, увеличением миграционных процессов (перемещением скачков) и снижениям локальных градиентов давления и температуры. Графики на рис.11 иллюстрируют интенсивность дрооления ка- 1 пель | при переходе черев адиабатические скачки в сопле при постоянном отношении давлений ¿а - - О,¿к. Н соответствии о реяультатами, приведенными выше, уменьшение диаметров капель при пересечении скачка оказывается яначитедьннм.

Ннводы.

Результаты проведенных исследований сопел Ляваия на влажном паре повволяют сделать следующее выводы:

1. Реалияованный в работе метод намерения раямеров капель и локальной влажности, пригодный для изучения потоков с каплями не менее 4-к мкм дает удовлетворительную точность и достаточно высокую надежность. относительная ппгрешность метода составляет •л\ - иь %,

и. Реализованный метод малых углов позволяет ияучать структуру дискретной фаяы в двухфаяннх потоках для плоских яадач.

И. И соплах Лаваля раямерн капель в направлении движения меняются в широких пределах. Структура дискретной фаян является полидиспероной.

4. Подтверждено, что в системе скачков на нерасчетных режимах в соплах Лаваля происходит интенсивное дробление капель, размеры которых уменьшаются в зависимости от положения и интенсивности скачка р расширяющейся части (т.е. от режима работы сопла). .

Ь.Профиль сопла окапывает внячительное влияние на дисперсность жидкой фавы в широком диапаяоне режимов. Й соплах с короткой расширяющейся чаотып равмерн капель, и, следовательно, дополнительные потери от влажности уменьшаются По сравнению о соплами, имеющими длинную расширяющуюся часть.

6. Под углом врения яровионной надежности сверхзвуковые решетки турбин следует выполнять о короткой расширяющейся частью, обеспечивающей более интенсивное дробление капель.

КТУУГ'" Тираж № 3,», Щ 1 Типографии МЭИ, Кр*сиоьмарм*нв»я, 13. ,