автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Газодинамические характеристики сверхзвуковых сопел и решеток на перегретом и влажном паре и их совершенствование

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ДАУД П1АКИР ХА1ААДИ

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕРХЗВУКОВЫХ СОПЕЛ И РЕШЕТОК НА ПЕРЕГРЕТОМ И ВЛАЖНОМ ПАРЕ И ИХ СОВЕНШЕТВОАШЕ

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

"оскра - 1992

Работа выполнена в Московским энергетическом институте. Научный руководитель: доктор технических наук профессор Дейч М.Е.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Лепешинскнй И.А. кандидат технических наук Лаухин Ю.А.

Ведущая организация: Центральный котлотурбинный институт (ЦКТИ).

Защита состоится в аудитории Б-409 9 Мь&Д/гЯ. 1993 г. в /5" час. 3 д мин, на заседании специализированного совета К 053.16.05 Московского энергетического института. Отзыва на автореферат в двух вкзомпллрах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

105835 ГСП, г.Москва, Е-250, Красноказарменная ул.,д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " * 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.и..с.н.с.

А.И.Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЦ

Актуальность работы. Эффективность и надежность паровых и газошх турбин в значительной степени определяется совершенством их проточных частой, основными элементами которых являются решетки. По этой причине усилия ряда институтов и конструкторских бюро турбостроительных заводов ориентированы на исследования и совершенствование сопловых и рабочих решеток, на более глубокое изучение физического процесса обтекания решеток и формирование более точных методов расчота. Наибольшее внимание при этом уделяется дозвуковым и близким к звуковым режимам обтекания решеток. Значительно меньшео число работы посвящено проблеме сверхзвуковых течений в решетках, в особенности влажного пара. По существу задачи оптимизации сверхзвуковых решеток не решены. Вместе с тем, в проточных частях транспортных турбин, в последних ступенях мощных конденсационных турбин, скорости достигают весьма больших значений, существенно превышающих скорость звука.

В этой связи представляется очевидной акутальность работы, посвященной разработке и исследованию новых сверхзвуковых сопловых решеток с уменьшенными профильными потерями в достаточно широком диапазоне режимов на перегретом- и влажном паре.

Цель работы

1. Разработать одиночные сопла Лаваля приближенно моделирующие межлопаточные каналы сверхзвуковых решеток, отличающиеся соотношением длин суживающейся и расширяющейся частей и провести их экспериментальные исследования в широком диапазоне режимов на перегротом и влажном паре.

2. Экспериментально исследовать нестационарные процессы, возникающие в соплах Лаваля на различных режимах на перегретом

и влажном паре. Установить влияние соотношения длин суживающейся и расширяющейся частей сопла на интенсивность пульсационных процессов.

3. Получить опытное подтверждение гипотезы о вырождении пристенной турбулентности в суживающейся части сопла Лаваля вблизи критического сечения. Определить погори кинетической энергии в соплах па различных режимах по начальному состоянию пара и перепаду дгиитпий.

4. ¡".сследовать новые сверхзвуковые решетки с короткой и симметричной расширяющейся частью при различных режимах.

5. Провести сопостаг-лен;:«! газодинамических характеристик новых решетск с характеристиками смрхзвуког-нх решеток с длинней и кесим-

- 4 -

метрячноХ расширяющейся частью.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработаны и испытаны сверхзвуковые сопла, приближенно моделирующие меглспаточпие каналы сверхзвуковых решеток и получены их газодинамические характеристики в зависимости от режимных и геометрического параметров;

- подтверждена гипотеза вырождения турбулентности суживающейся части сопла;

- получены зависимости коэффициентов потерь в соплах от числа Маха и начального состояния пара;

- получены новые дополнительные результаты, иллюстрирующие взаимодействие конденсационных и адиабатических скачков в сверхзвуковых соплах к решетках па насыщенном и влакном паре;,

- определены коэффициенты профильных потерь в сверхзвуковых решетках нового типа и подтверждена их высокая эффективность;

- проведено сопоставление ссплоеых решеток с суживающимися и расширяющимися каналами и установлены области их рационального использования; сопоставлены характеристики одиночных сопел Лаваля и сверхзвуковых решеток. |

Степень достоверности и обоснованности результатов. Основные научные положения, изложенные в работе, подгверздены большим количеством экспериментальных результатов, полученных с применением методов инерционных и малоинерцконных измерений, в том числе оптического. Использованные кадегные методы измерений и выполненная оценка погрешностей позволяют утвервдать, что полученные экспериментальные данные достоверны. В этом убеждает также сопоставление газодинамических характеристик некоторых сопел и решеток с аналогичными экспериментальными данными других авторов. /

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены: I

1. На семинаре ЩК1 им.А.Н.Крылова, "Актуальные проблемы технического прогресса судовых турбинных установок", С.-Петербург, май, 1991 г. [

2. 11а газодинамическом семинаре кафедры ПГТ МЭИ, сентябрь, 1992г.

3. На заседании кафедры ПГТ, сентябрь, 1992 р.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы две статьи и выпущены техническая информация и научно-техпичес-кий отчет. I

Практическая ценность работы. Полученные в' диссертации результаты необходимы для более глубокого понимания сложных физических

/

/

процессов в сверхзвуковых потоках перегретого и главного пара в соплах Лаваля и в сверхзвуковых решетках. Опытные данные подтверждают правильность нового подхода к профилированию сверхзвуковых решеток для однофазной и двухфазной среда. Разработанные сопловые ре-петкя могут быть применены е паровых и газовых турбинах.

Личный вклад автора. Автором выполнен обзор и анализ литературных данных, разработана и обоснована програ-.иа исследований, разработана методика эксперт, 1ентальных исследования. Проведены экспериментальные исследования одиночных сопел и соплоеых реиеток нового тппа, составляющие главное содержание диссертации, предложены объяснения физических явлений, установленных в опытах.

Автор защищает: Результаты экспериментального исследования одиночных сопел Лакали и новых сверхзвуковых сопловых решеток на перегретом и влакном паре, предложенные объяснения физических явлений, установленных в опытах, целесообразность практического применения сверхзвуковых решеток нового типа.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 242 страницах, включает 129 страниц машинописного текста, иллюстрируется ИЗ рисунками и состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения и списка использованной литературы из 118 наименований.

С0ДЕЕШ51Е РАБОШ

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

В первой главе представлен обзор опубликованных работ, посвященных околозвуковым и сверхзвуковым течениям перегретого и влажного пара в сопловых решетках с суживающимися и расширяющимися каналами. Основное внимание уделяется кризисным режимам при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях не изучено с необходимой полнотой. Вне поля зрения исследователей оказались некоторые важные проблемы оптимизации сверхзвуковых решеток на влажном паре.

Обзор литературы показал, что развитие кризиса потерь в решетках с суживающимися каналами при сверхзвуковых скоростях сопровождается интенсификацией пульсационных процессов, обусловленных отрывами в скачках уплотнения. Результаты исследований последних лег подтвердили, что локальная турбулязация пограничного слоя на спинке позволяет существенно снизить интенсивность возрастания потерь при•околозвуковых скоростях. Вместе с'тем, переход к сверхзвуковым скоростям осуществляется различно в изолированных рекетках и в ступени. Показано,

что наличие источника возмущений за сопловой решеткой смещает зону околозвукового кризиса в направлении больших чисел Маха и резко сникает его интенсивность.

В этой связи возникает вопрос о границах применения решеток с суживающимися и расширялцимися каналами при сверхзвуковых скоростях, до сих пор не решенный. В практике турбостроения просматривается стремление воздержаться от использования ступеней, в сопловых решетках, где скорости достигают таких сверхзвуковых значений,при которых необходимо использовать решетки с расширяющимися каналами. Во многих случаях возникают сомнения в целесообразности использования решеток с суживающимися каналами при небольших сверхзвуковых скоростях.

Результаты, помещенные в первой главе, подтверждают возможность решения оптимизационных задач для таких решеток и установления областей рационального использования решеток с суживающимися и расширяющимися каналами в зависимости от расчетных значений чисел Маха. Учитывая практическую важность решения этих задач в литературный об-эор включены результаты исследования решеток двух типов с различными ! формами профилей и каналов на перегретом и влажном паре. В заключе- 1 ние обзора сформулированы задачи, решаемые в диссертации. Сюда относятся: изучение физических процессов в сверхзвуковых соплах на перегретом и влажном паре в широком диапазоне режимов, разработка более совершенных сверхзвуковых решеток и экспериментальное обоснование предлагаемых решений.

Вторая глава посвящена описанию экспериментального стенда, способов подготовки рабочего тела, конструкции рабочих частей, предназначенных для исследования одиночных сопел Лаваля и сверхзвуковых сопловых решеток. Опыты проводились на перегретом, насыщенном и влажном паре.

Испытания сопел Лаваля позволили проверить влияние некоторых геометрических и режимных параметров на структуру потока и потери в упрощенных условиях, позволяющих использовать специальные методы эксперимента'. Представлялось важным сопоставить характеристики одиночных сопел и сверхзвуковых решеток.

Исследовались четыре плоских одиночных сопла Лаваля, на расчетное число Маха М^ = 1,6, отличающихся длинами суживающихся и расширяющихся чяотой. Суживающиеся части спрофилированы по лемнискате, а расширяющиеся расчитаны по методу характеристик. Профиль одного из сопал и геометрические параметры испытанных моделей даны на рис,1.

Плоские и профилированные стенки сопел дренировались; дреназные отверстия располагались в шахматном порядке с малым шагом и использовались дня измерения осредненных во времени давлений, а таете пульсаций давлений. Давления тормозения измерялись зондами, проверенными в потоках влазшого пара. Амплитудно-частотные характеристики фиксировались малоинерционными датчиками ЛХ-610, предварительно протари-рованными. Структура потока в соплах изучалась такге визуальным методом с помощью оптического прибора 1ТАБ-451. Результаты, полученные тремя различными методами, сопоставлялись.

Три сверхзвуковые решетки составлены из 7 лопаток постоянного по высоте профиля. Основные геометрические параметры решеток и форм межлопаточных каналов показаны на рис.2. Бее решетки выполнены с протяженными суживающимися частями и короткими расширяющимися участками. Решетка С-9015В-1вл имеет симметричную сверхзвуковую часть. Решетки С-9015В-Пвл и С-9022В-Швл выполнены с несимметричной сверхзвуковой частью. Решетки отличаются расчетными числами Маха, т.е. геометрическим параметром , а также эффективными углами выхода (о£1Э = 15° и 22°). Толщины выходных кромок приняты одинаковыми Лкр= 1,35 мм.

Одиночные сопла и решетки испытывались в широком диапазоне режимов по числу Маха М^ (или отношению-давления €а = Ра/Р0, где Р0 - давление торможения на входе; Ра - среднее статическое давление за соплом или за решеткой). Перед решеткой измерялась также температура торможения. В процессе измерения фиксировался перепад давлений торможения на решетке, что повышало точность определения коэффициентов потерь. Применение четырехтрубпего водяного манометра в системы продувок соединительных коммуникаций и зондов, обеспечивало получение надежных результатов. Проведенная расчетная оценка позволила установить, что значения коэффициентов потерь определялись с погрешностью не превышающей В%. Погрешность амплитудно-частотных ха- ' рактеристик при исследовании пульсационных процессов составляла 20£.

Третья глава посвящена результатам исследований одиночных сопел Лаваля при различных перепадах давлений на перегретой в влажной паре. Основные геометрические и режимные параметры испытанных сопел приведены в таблице на рис.1. Здесь: М^ - расчетное число Ыаха, отвечавшее изоэнтропийнсму процессу; <Г, - соответствующее отношение давлений; £кг- отношение давлений, отвечающее режиму с прямым скачком в выходном сечении; £тт- предельное отношение давлений,соответ-ствупцее достижению критической скорости в минимальном сечении сопла, и дозвуковым скоростям в расширяющейся часта.

Распределение давления по длине сопел 9 I и Л 3 приведено на

рнс.З (перегретый пар). Штриховой линией показано расчетное распределение давлений, удовлетворительно совпадайтео с экспериментальным до сечения 0,25 на режимах, близких к расчетному. В последующих сечениях отмечается заметное расхождение кривых £ ( * ), что объясняются влияние турбулентного пограничного слоя, нарастающего к выходному сечению, а такае воздействием косых скачков формирующихся в еыходном сечении сопла. На нерасчетных режимах с повышенным давлением за соплом зафиксирована известная картина течения со скачками в расширяющейся части сопла. С ростом противодавления скачки перемещаются против потока.

Действительные значения отношений давлений €к и £т не совпадают с теоретическими, определяемыми в предположении, что пограничный слой отсутствует. Так, для сопла JS I (рис.З.а) теоретические значения и £тТ составляют 0,67 и 0,84, а действительные оказались более низкими -£¿0,4 и ¿¿»0,75.

Харакгершми особенностями распределения давлений для' сопла J5 3 (рис.3,6) следует считать смещение скачков в направлении к выходному сечению, увеличение интенсивности скачков при заданном £а и расширение областей в сверхзвуковой части, на протяжении которых при бес-скачксвкх режимах i£a <£х) фиксируется значительное расхождение между расчетными и экспериментальными кривыми / (*). 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 пограничной слой на

стенках сопла - ламинизированный. Следовательно, за минимальным сечением происходит переход ламинарного режима в турбулентный и толщина слоя резко возрастает. При этом уменьшаются эффективные проходные сечения и возрастают относительные давления по сравнению с расчетными, полученными без учета пограничного слоя. В сопле J6 2 на режимах £а> £к течение за скачками - конфузоркое, а в соплах JU5 3 и 4 - диффу-зорноо.

Изменение кривых £ (¿с) на влажном паре обусловлены конденсационными скачками, возникающими за критическим сечением сопла. В самом коротком сопле на режиме £а= 0,73 (рис.4,а) скачок конденсации практически совпадает с адиабатическим. На режимах, близких к расчетному, повышение давлений в конденсационном скачке невелико,однако распределение давлений существенно отличается от расчетного (рис.4,б). В отличие от перэгретого пара расхождение между теоретической и действительной кривыми давлений начинается от места возникновения кон-

денсационного скачка. Следовательно, конденсационные скачки турЗули-зируют пограничный слой в расширяющейся части.

Распределение давлений и визуальные исследования позволили оценить положение конденсационных и адиабатических скачков в расширяющихся частях сопел. Соответствующие результаты подтверждают (рис.5), что с увеличением длины расширяющейся части относительное расстояние между критическим сечением и адиабатическим скачком интенсивно возрастает. Этот результат объясняется влиянием продольных градиентов давления, интенсивно возрастающих с уменьшением длины расширяющейся части. Переход к насыщенному и влажному пару приводит к значительному увеличению ¿„, т.е. к смещению скачков по потоку.

С изменением режима ( ) и начального состояния пара меняется интенсивность скачков. При фиксированном отношении давлений интенсивность скачков на перегретом паре существенно возрастает с увеличением длины расширяпцейся части. Taie, для сопла J6 I максимальное зна-

чением Pg/Pj-I,?, а для сопла Л 4 - Р2/Рг = 195 npB£«oi63 (рис.6).

На насыщенном и влажном паре уменьшаются абсолютные значения и меняется форма уривых ^ ^: конДенсационные скачки создают

повышенное давление перед адиабатическим в диапазонеЛО, 6-0,7.

Визуальные исследования подтверждают особенности структуры потока в соплах. На слабо перегретом, насыщенном и влажном паре адиабатическому скачку предшествует конденсационный скачок, положение и форма которого практически не зависят от €а , но меняются при изменении начального перегрева АТ0. При некотором отношении давлений адиабатический и конденсационный скачки сливаются. Такой режим сопровождается более интенсивными колебаниями скачка. При фиксированном значении €а форма конденсационного скачка зависит от длины сверхзвуковой части сопла: в наиболее коротких соплах скачки мостообразные, а в соплах Я 3 и Я 4 - прямые. Следовательно, форла и положение конденсационных скачков зависит от продольных градиентов давления, что подтверждает и углубляет вывод об определяющем влиянии скорости расширения Р = - -р ~ на положение и форму скачков. Исследования пуль-сационных процессов^ в четырех соплах при различных режимах позволили выявить влияние формы сопла на амплитудно-частные характеристики (АЧХ) Р = Р {/), где Р'- осредненное по времени среднеквадратичное значение пульсаций давления /Па/Гц/ в интервале л/ = 30 Гц. Численным интегрированием определялись характеристики

Исследования выполнены под руководством ".Ю.ОщепкоЕа с участием

автора.

еспользованные для оценки полной интенсивности пульсаций давления в диапазоне частот лу . Вычислялись относительные значения Р'= Р7:Р0 - Ра). Характерные особенности кривых Р ) вдоль сопла сеодятся к следующему (рис.?). На режимах с переходом через скорость звука (режимы 1-5) минимальные значения Р* достигаются в кри-т;гческом сечении, что свидетельствует о ламинаризации пограничного слоя в дозвуковом течении с большими отрицательными градиентами давления. С приближением скачка к критическому сечению амплитуды пульсаций в этом сечении возрастают: через дозвуковую зону пограничного слоя возмущения, создаваемые отрывом перед скачком и колебаниями скачка, распространяются против потока в сутвающуюся часть сопла. . Резкое увеличение амплитудных характеристик отмечается в зоне скачка. В зависимости от режима ' €а ) амплитуды Р* увеличиваются на порядок (от Р'^0,02 до Р'« С ,2-0,42 в интервале ¿^ = 0,5-0,72). Максимумы Р" примерно отвечают средней части зоны резкого повышения давлений на рис.3 и 4. На запредельном режиме в (рис.7) отмечено резкое возрастание интенсивности пульсаций по всей длине, сопла, свидетельствующие о том, что вырождение турбулентности на таких режимах не/происходит.

В соплах с удлиненной расширяющейся частью Я 3 и Я й картина распределения пульсаций качественно сохраняется. Вместе/с тем, характер кривых Р* (ж) для этих сопел подтверждает, что переход к развитому турбулентному слою наблюдается раньше, т.е. при меньших х . Максимальные значения Р' на перегретом паре возрастают /в два раза по сравнению с соплами Л I - Л 2. ]

При изменении €а и ¿Т0 существенно меняются толщгшы пограничного слоя, потери на трение, потери вызываемые отрывами и пульсациями и волновые потери в скачках. Минимальные толщины слоя для ЕСех сопел отвечают режимам, близким к расчетному [£а"0,24), а Наибольшие - к предельному ( £а- 0,7-0,75), что подтверждает возникновение отрывов, так как суммарная толщина слоя (2£ ) достигает 30% рт размера выходного сечения. Отрывы зафиксированы в диапазоне режимов 0,5 <^<0,7--0,75 (рис.8). Как на перегретом,так и на влажном п^ре минимальные толщины отвечают соплу Л I, а максимальные - соплу р 4 для всех режимов. Установлено, что толщины слоя в выходном сечении сопле на влажном паре меньше, чем на перегретом, что объясняется двумя причинами: I) снижением интенсивности адиабатических скачков/исмещением скачков и зон отрыва к Еыходному сечению; 2) влиянием плейок, обладающих большей сопротивляемостью отрыву и генерирующих'повышенную турбулентность; увеличение») турбулентности способствует и скольжение капель.

В раб(."е определены коэффициенты потерь кинетической энергии в четырех соплах на перегретом, насыщенном и влажном паре. Для сопел

Я I и А 2 зависимости / (6д ) близки в широком диапазона режимов. В соплах Л 3 потери несколько увеличиваются, в особенности на нерасчетных режимах £а~ 0,4-0,7. Сопло * 7 с наиболее длинной расширяющейся частью характеризуется существенно большими потерями при Ъсех режимах (рис.9). При Са = 0,24 в сопле Я 4 потери увеличиваются нй 1,5-2,5?, а при ¿Г - 0,6 на &-7% по сравнению с соплами Л I и Я 2. На насыщенном и влажном паре коэффициенты потерь возрастают по сравнению с перегретым паром. Для сопел Я I и Я 2 значения / увеличиваются на 2% при начальной влажности У0 = 10%, и ^=0,24; на режиме.

£а = 0,6 увеличение по'герь составляет В соплах Я 3 и Я 4

дополнительные потери от влажности составляют соответственно 2,5% ( 0,24) и 5,0-6,0? ( ¿а = 0,6).

Увеличение потерь на насыщенной и влажной паре объясняется влиянием нескольких факторов: I) возникновением скачков конденсации; -2) образованней жидких плевок, генерирующих дополнительные потери на трение; 3) скольжением жидкой фазы в ядре и в пограничных слоях; 4) дроблением и коагуляцией капель. При любом начальном состоянии пара важную роль играют отрывы и пульсационные процессы, вызывающие дополнительную диссипацию кинетической энергии. Соответствующая оценка составляющих полных потерь показала, что в диапазоне режимов

- 0,45-0,75 наибольшие потери обусловлены влиянием трения и отрыва, пульсационными процессами и влажностью., С приближением к расчетному режиму доля волновых потерь возрастает (0,24 < ¿а4 0,4) и при £а • составляет 65-70$?.

Сравнение характеристик испытанных сопел / ( £а ) позволяет заключить, что сопло Я I во всем диапазоне режимов имеет минимальные потери (рис.9). Эти данные подтверждают исходную гипотезу о преимуществах сопел Лаваля с удилиненной суживающейся и укороченной расширяющейся частями..

В четвертой главе рассмотрены результаты исследования трех вариантов сверхзвуковых сопловых решеток, разработанных о учетом результатов испытаний одиночных сопел Лаваля и представленных на рис.2. Дополнительно отметим, что профили имеют-небольшой радиус округления входной кромки, что обеспечивает снижение интенсивности "фонтанирующего" эффекта: капли, ударяясь о входную крому отражаются, дробятся и совершают возвратное движение, а затем поворачиваются и движутся в межлопаточный канал с большим скольжением, что приводит к увеличению потерь. Сопряжение суживающегося и расширяющегося участков осуществляется малым радиусом скругления, генерирующим центрированные волны резрежения, что устраняет опасность возникновения кондонсацион-

ной нестациокарности. Выходца в кромки выполнены плоскосрезашшми, что способствует более интенсивному дроблению капель за решеткой. В репетках С-9015В-Пвл и С-9022-Пвл на выходном участке спинки выполнены угловые точки, обеспечивающие безотрывное течение в косом срезе, на режимах, близких к расчетному.

Распределение давлений по обводам профилей изучалось при различных режимах по числу Мага. Для решетки С-9015-1вл графики Р ) (Р - коэффициенты давления) подтверждают резко конфузорное течение вдоль спинки профиля, в особенности на участке вблизи критического сечения. Точки минимума давления с. ростом числа М^ смещаются по потоку; при этом сокращаются диффузорные участик, отвечающие скачкам уплотнения в расширяющейся части канала и в косом срезе. На протяжен' ком участке вогнутой поверхности течение приближается к изобарическому. Резкое снижение Р отмечается также на участке вблизи критического сечения'и в начальном участке расширяющейся части канала. Диффузорные участки отвечают скачкам уплотнения в расширяющейся части на нерасчетных режимах. На нерасчетных режимах адиабатические и конденсационные скачки совпадают, как и в соплах Лаваля. Под воздействием адиабатических скачков происходит уменьшение влажности и размеров капель. На рис.Ю отмечены значения критических коэффициентов давления Р^, отвечающих точкам на профиле, в которых достигаются кри-■ тические скорости.

Аналогичные распределения давления получены и для решеток С-9015-Пвл и С-9022-Ш вл. Вместе с тем, зафиксированы и существенные отличия: I) воздействие угловых изломов на спинке, при обтекании которых поток ускоряется на режимах, близких к расчетному; 2) нарушение равномерности распределения скоростей в поперечных сечениях, обусловленное несимметричностью расширяющейся части канала.

Лия трех решеток экспериментально установлено распределение локальны* коэффициентов потерь по шагу при различных начальных состояниях пара и перепадах давления. По этим данным определены коэффициенты профильных потерь. Для решетки С-9015В-1вл на перегретом и влажном паре (рис.11) потери в ядре потока на ргяимах близких к расчетному невелики и существенно возрастают в кромочных следах. На таких режимах распределение /. С? ) оказалось достаточно равномерным, что подтверждает целесообразность выполнения расширяющейся части канала симметричной. Переход к глубоко нерасчетным режимам вызывает значительное увеличение /• во всех точках поля, возрастает неравномерность распределения ( / ), что обусловлено перемещением и деформацией коднденсационного и адиабатического скачков. По распределению £ ( ( ) (рис.11) можно заключить, что нерасчетные режимы сопровождаются изме-

нением среднего угла выхода потока. На влажном паре потери увеличились в ядре потока и в кромочных следах на нерасчетных режимах. Режимы, блкизкие к расчетному, характеризуются не столь значительным возрастанием потерь.,

Аналогичные распределения потерь по шагу получены и для двух других решеток на перегретом и влажном паре. Вместе с тем, решетки С-9015В-Пвл и С-9022В-Швл характеризуются более значительной неравномерностью полей £ ( / ), в особенности на нерасчетных режимах с увеличенным противодавлением. Этот результат'объясняется несимметричностью расширяющихся частей, в которых формируется палидясперская структура жидкой фазы и неравномерное распределгние влажности по шагу.

Распределения локальных коэффициентов ^ ( £ ) использованы для определения профильных потерь в решетках (рис.12). На перегретом и влажном паре кривые (1,1^) показывают два максимума (при = 0,7 и при Ы^р = 1,1-1,2), отвечающих предельному режиму и режиму со скачками в расширяющейся части; такие режимы сопровождаются развитыми отрывами и интенсивными пульсациями параметров. Как и'в одиночных соплах резкоо увеличение Д, при существенно нерасчетных режимах в решетках связано с появлением дополнительных потерь, обусловленных пульсационными процессами той же физической природы.

. С увеличением числа 1,2-1,3 профильные потери в рассматриваемых решетках интенсивно снижаются и достигают минимальных значений {пр = 4,5-5,0$ для решетки С-9022В-Швл и 6,% для решетки С-9015В-1вл на перегретом паре. На влажном паре потери этих решетках увеличиваются на4^*1,0-1,2;1 (при У0= 10,2). Зтот результат подтверждает, что з сверхзвуковых потоках система кромочных скачков приводит к частичному испарению капель и их дроблению. Профильные потерн сохраняются умеренными в достаточно широком интервале чисел Ц-^ = 1,4-1,7 для С-90223-Швл и = 1,6-2,0 для С-9015В-1вл. Следовательно, диапазон чисел Маха, в котором целесообразно использовать решетки такого типа существенно расширяется.

В заключение приводятся результаты сопоставления исследованных решеток с решеткой, имеющей суживающиеся каналы и с решеткой.имеющей суживающиеся каналы и с решеткой, выполненной с короткой дозвуковой частью и протяженной несимметричной расширяющейся частью. Очевидно, что сравнение сверхзвуковых и дозвуковых решеток имеет смысл при

> I, так как при М1Т41,0 преимущества решеток суживающимися каналами очевидны. На рис.13 приведет соответствующие зависимости

подтверздающие значительное снижение потерь в решет ях пред- ;

- 14 -

-- С

"J

lili %

f (M or* «»«» IU Ml • «M

Ê U» tH — s 'M taf

t 9» Ш m Ht M*

« »*> M»

r-taut-4.

Ciеиа сопла Лаваля <a) ■ ocnotm« гвомотрачвсхжа i рвжкшшо параметры ««штанных ыаамв! (б). и, /»»■к* '1' лш / /

"Г - 4 4-И- — - -

МЯ» 7 I» "Г (I ¡«4 w

и»/*»-/ Mjju* м# 4 <• M*

twii г-i «jj>U <44 ¡«S 44- « «4»

Fio. '2. Исследовании« upuim соыоашс решвтск i и гммтрпмнм параметре.

'I

Гас.З. Распределен!» ляллвН1| вдоп oci соое* I I (i) i »3(«) Bp« gauivn режим ли в»гвгр»тог» upe ( ЛТ0 - 50K - 701t).

Иг ; 2Г)

\

v ч \

J ^ ч L. v

><4: ir

ч . ч

Pic.4. Распределен» л&влевяа вдоль ос« осой 1 I (в) к I 3 (ö) up* раалгсюгх ртшх au шоош cap» ( ^ - 1Я£ - Ш).

/X/ ^ 4- v-o A

s.

сл ■

Р*е.6. ümimi onoMitt uuml n on» s uaaei-

■Kcn от ¿g ш ршти con* ЖЖ s«p»rp*-

тш («) | sas» (a)-

Ржс.5. Кшвмкм полпммкх с«»чко» ( X<% ) « earjux .лъшял при различных рфишшх: ——перегреть* пар;

_____ЯЛЛЖИкА П»р.

над «=iь, о,ч W

Pic.7. Распределение уровни пулеаца! илжчч «о А"» соши i I

Ш перегретого пара при дпких протетод&влеямп.

* • — т/ —V.

//' \ íy

г—^ * VSy Л.'"**"

__

Рис.й.Зависимости толщины пограничного слоя от £,для

сопел nJi'iî'-г.ерагратьЯ пар;____влажяьЛ

гар.

>|- 17 -

I

Рио.10. Распределение давления по обводу профиля сопловой решетка С-9015-1пл при различных для влажного пара ( ¡)с = 7%) \ 7-Ч/-г48з> *-1,45; ; д. о.ъъ; х- о;%; а-о,ВХ.

- >„. • Я*-, r.IJi i /lj

с

Р«кУ/.-Р>с1фвд«»ени» потерь по юнгу coruiotoa решет,.и С-9С153-1»л при' различных 4ncjfх Jam, (лТ*?СЧ, ).

Рис. 13.(Ьиепение / * мхсююсгн от М дш сопло»« ревето* hi перегретой

/Г

.АЛ

■ ыиноы пере.

-р-/I---flr-'Ti

Р*о. 13, Сопостпнлсше прошлым* потерь в ренеты« о ряс. тряхни и» ся I су*лвагщ*мдсл каналам* на перегретом паре.

о -С-9015 В - I м; о-С-90П В -И ял • -C-9CISA(j ; v -С-9СГ8 В.

латаемого типа С-9015В-1вл и С-9022В-Ывл по сравнению с традиционной сверхзвуковой решеткой С-9028В (на 2,0-3,0;!). Здесь же приведена зависимость /„^ (М^) для дозвуковой решетки С-9015Лвл, показываю- . щая, что при сверхзвуковых скоростях 1,35-1,4 решетки с расширяющимися участками каналов имеют значительное преимущество. На' влажном паре ( = 10%) область целесообразного использования сверх- . звуковых решеток со слабо расширяющимися каналами. Имея ввиду интенсивное увеличение потерь в таких решетках на режимах с повышенным противодавлением, следует учитывать вероятность работы ступени в не^ благоприятном_диапазоне' чисел М^. При этом варьируется геометрический параметр Р.

Сравнение характеристик на влажном паре (У0 = 1055) подтвердило основной вывод о преимуществе решеток с расширяющимися каналами в области чисел 1,35-1,4. Анализ газодинамических характеристик таких решеток показывает, что основные геометрические параметры профилей и каналов выбраны правильно. Уменьшенный радиус округления входных кромок^ увеличенная длина суживающейся части канала, и симметричная форма короткой сверхзвуковой части, плоскосрезанные выходные кромки и угловые точки в иосом срезе, обеспечили умеренные профильные потери. Бресте с тем, следует учитывать, что предлагаемые решетки чувствительны к изменению шага лопаток, который может меняться в узких пределах и, соответственно, к типологическим отклонениям от заданной формы профиля и канала.

ВЫВОДЫ

На основании результатов, полученных в настоящей работе, можно сделать следущие основные выводы: ■

1. Экспериментально подтвержден эффект ламянаризации пограничного слоя в области критического сечения. Показано, что существует оптимальное соотношение длин суживающейся и расширяющейся частей сопел Лаваля и каналов сверхзвуковых решеток, зависящее от расчетного числа Маха, т.е. от параметра Р - С увеличением Р относительная длина расширяющейся части возрастает.

2. Установлено, что на режимах работы сопла и решетки со скачками и расширяющейся части возникает периодическая нестационарность, создаваемая кобеланиями скачков и вызываемого им отрыва слоя. Интенсивность пульсационных процессов снижается а соплах с укороченной, сверхзвуковой частью.

3. Применение удлиненной дозвуковой части сопла (канала решетки) позволяет реализовать процесс частичной ламинаризации слоя в двухфазно! области. Дополнительные потери от влажности в сверхзвковых соплах-и , решетках на режимах, близких к расчетному, снижаются по сравнению с '

дозвуковыми. Конденсационная нестационариосгь обусловленная миграцией конденсационного скачка не возникает.

4. Пульсации термодинамических параметров, вызывающие дополнительные потери кинетической энергии, максимальны на режимах, близких к предельному, отвечающему эффективному отношению площадей Р^дф/Р^.

5. Для сверхзвуковых сопловых решеток соотношение длин суживающейся и расширяющейся частей увеличивается по сравнению с одиночными соплами и в диапазоне расчетных, чисел Маха М^ = 1,5-2,0 составляет и/, - 3,25-2,14.

6. При числах Маха М1Т > 1,4 расширяющуюся часть межлопаточных .каналов следует выполнит, профилированной и симметричной, что обеспечивает белее равномерное поле скоростей за решеткой, и, следовательно, снижение потерь кинетической энергии в решетке в шшроком диапазоне режимов.

7. На насыщенном и влажном паре оптимальные соотношения длин оуживалцегося и расширяющегося участков межлопаточных каналов и геометрическая степень расширения сверхзвуковой части практически сохраняются такими же, как и для перегретого пара.

8. Разработанные на различные числа Маха сверхзвуковые сопловые решетки МЭИ могут быть рекомендованы к использованию в проточных Частях стационарных и транспортных турбин при числах Маха М^>1,35-1,4

Основные результаты диссертации ощйгакованы в работах:

1. М.Е.Дейч, М.С.Ощепков, А.А.Тищенко, Д.Ш.Хамади. Пульсацион-ные характеристики однофазного и двухфазного потоков пара в соплах Лаваля на нерасчетных режимах//Йзвестия РАН . Энергетика. 1992. Я 2. С.104-128.

2. М.Е.Дейч, М.Ю.Ощепков, А.А.Тищенко, Д.Ш.Хамади. Потери энергии и пульсацяонные характеристики трансзвукового перегретого и влажного пара в соплах Лаваля - Республиканская научно-техническая конференция - Змиев, 10-20 сентября 1991 г.

п^нгг" .¡ее _ ^.....б

Типографии К- . "сч . ...г