автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Повышение эффективности лопаточного аппарата турбин, работающих на влажном паре, путем решения различных моделей течения двухфазных потоков



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.Н.Э.БАУМАНА

На правах рукописи УДК 621.51 + 620.143.1

БАБОТ ФЕЛИКС НОСОНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА

ТУРБИН, РАБОТАЮЩИХ НА ВЛАЖНОМ ПАРЕ, ПУТЕМ РЕШЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МОДЕЛЕЙ ТЕЧЕНИЯ ДВУХФАЗНЫХ

ПОТОКОВ

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановхи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Калужском филиале НПО им. С.А.Лавочкияа Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Лагерев A.B.

Ведущая организация - Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического . оборудования (АООТ"НПО ЦКТИ") им. И.И.Ползунова

на заседании диссертационного Совета дюз. 15.10 при Московском государственном- техническом университете им. Н.Э.Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская набережная, д.1, корпус факультета "Энергомашиностроение".

t С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ.

Отзывы на автореферат в ■ двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ученому секретарю Совета Д053.15.10 д.т.н., проф. Иващенхо H.A.

доктор технических наук профессор Стоянов Ф.А.

доктор технических наук профессор Фаддеев И.П.

Защита состоится

■■ Автореферат разослан

1997г.

Ученый секретарь диссертационного Совета д.т.н., проф.

Подписано к печати 29.09.97г. Заказ 186—97. Тираж 50

Издательство "Контур.лт." Лицензия ЛР № 070427

ОЕЦЛЛ ^РШЕРИЖКЛ РАБОТЫ

Актуальность работы.Известно,что атомные паропроизводящие становкм,вырабатывает елабо-перогретыи лодяпел пар,параметры оторого уже перед первой нерегулируемой ступенью в главных тур-1шах и в сверхзвуковых соплах первых ступеней вспомогательных урбоприводов находятся вблизи линии насыщения. В аналогичных словиях работают и последние ступени мощных турбин ГРЭС.

Наличие влаги в проточной части обусловило появление и не-бходшость решения рада важнейших проблем,связанных с обеспечс-ием надёжности и долговечности деталей вла-шопаровых турбин, первую очередь лопаточного аппарата,дисков и рабочих колёс из-а возможности эрозионно-коррозионного их разрушения.

Для решения этих проблей необходимо развитие обобщающих тео-етических подходов,описывающих основные процессы тепломассооб-ена и. структурные характеристики двухфазных потоков в широком иапазоне изменения решФтннх параметров,а такке увеличение объё-, а физических исследований и научных работ по созданию математи-еских моделей рабочих процессов в элементах энергооборудования по разработке численных методов расчета.

В связи с этим весьма актуальной является разработка матемз-ических моделей процессов неравновесного влагообразовашш в верхззуковнх соплах,роста капель,образования вторичной крупно-.исперсной влаги с широким спектром диаметров капель и её двиззе-ш.т.е. в конечном итоге - влияний влаги на прочностные и техни-:о-эконо?лическиэ характеристики проточной части.Такие модели крою того должны учитывать реальные свойства влаиюго пара,дисперс-ость дискретной фазы,пространственностъ течения пара в каналах, |бразованиых относительно длинными лопатками, реальное распреде-сенае влаги по высоте проточной части и переменные резкшы работы •урбщш.

Численное моделирование позволит глубже последовать особен-|ости сложных процессов межфазовых переходов и взаимодействия из на базе уравнений математической и статистической физики,ме~' ¡аники жидкости и газа и термодинамики,а анализ результатов чис-1енаых экспериментов,выполненных на них с помощью современных ЭВМ 1олхен но только обеспечить прогнозирование эрозионного износа, ю и, дать рекомендации к проектированию проточных настой влаяно-таровых турбин с повышенной надёжностью и моторесурсом.Раз-

работке методов решения этих вопросов к посвящена предлагаема; работа.

Целью работы является повышение надёжности, долговечност] и тепловой экономичности влажнопаровых турбин на базе разрабо-комплекса математических моделей полидисперсного потока

Автор защищает

- математическую модель пространственного течения крупнодисперсной влаги, в проточной части, основанную на моделирован) процесса образования капель методом Монте-Карло, позволяющую повысить надёжность и существенно увеличить ресурс работы проточной часта путем анализа результатов прогнозирования эрозиен ного износа лопаточного аппарата влажнопаровых турбин с учетот дисперсности диыдретной фазы и её реального распределения по ] соте лопаток;

- метод расчёта важнейших структурных составляющих потер] о влагой, а именно, потери энергии на разгон капель потоком ш ра и потери торможения от соударения капель с рабочим колесом основанный на математической модели пространственного движенш влаги в проточной части;

- результаты аналитического исследования неравновесного влагообразоваяия в сверхзвуковых соплах, выполненного на базе канетической теории .жидкости с учетом свойств реального быстр< движущегося переохлаждённого водяного пара;

- метод расчёта двухфазного пограничного слоя на плоской пластине с учётом межфазного взаимодействия и неоднородности < текания капли сдвиговым потоком путем использования метода Монте-Карло.

Научная новизна работа состоит:

- в создании метода прогнозирования эрозионного износа лопаточного аппарата влажнопаровых турбин на базе математичеа модели трёхмерного движения влаги с учётом дисперсности капел; и реального распределения влаги по высоте проточной части, по: лявдего исследовать процесс образования крупнодисперсной влаг; и сформулировать рекомендации, направленные на снижение эрозионного износа деталей турбин и повышения их моторесурса;

- в создании математической модели пространственного да® ния широкого спектра крупнодисперсных капель в проточной част) вл&здопаровых турбин, в основу которой положено моделирование процесса образования крупных капель методом Монте-Карло и рас

ипель по размерам к массы влаги по высоте проточной час-»зволяет рассчитывать тзалшйшие структурные составляющие ;

вла.шостыо,а шенно,потери на разгон капель потоком па-¡ри тормог^ния рабочего колеса от соударения о каплями; разработке и реализации патематической модели неравно- j

гроцесса влагообразованш в движущемся с большой скорос- i

■л переохлажденного реального водяного пара с учетом 1

¡корости изменения параметров движущемся в сопле потока :ть образования зародышей лецдкой тазы; разработке и реализации метода расчёта двухфазного по-'0 слоя па плоском пластин о с учётом метра зпого взашю-и неоднородности обтекания сферической капли сдвиговым [утем использования метода Монте-Карло; выработке теоретически основ взаимосвязи повышения ре-[аточного аппарата влаянопаровых турбин с одновременны,! юм его тепловой эффективности и технологичности конст-!орвнх ступеней.

стическое значение работы заключается з следующем: шменение математической модели пространственного движе-юдисперсноЗ влаги и,построенной на её основе.программы зования эрозионного износа лопаточного аппарата влагаю-турбин позволяет исследовать и анализировать влияние reo- j сих и режимных параметров на интенсивность эрозионного >

ш деталей проточной части и вцбрать конструктивные меро- ' )беспечпвающие еншение эрозионного износа и существен-иение ресурса облопачивания;

¡пользование программы расчета неравновесного процесса щи влаги в сверхзвуковых аоплах позволяет повысить как определения параметров потока, на выходе из сопла, таге щболео важно,знать параметры дискретной фазы на входе j решетку,т.е. количество капель всех возможных диамет-

ззработанный комплекс программ для расчетов на ЭШ ос-эставлязощпх потерь энергии, обусловленных наличием влага, зой части, а именно, потерь на трение во влажнопаровом юм слое,потерь на разгон крушюдисперсной влаги потоком з тормонение рабочего колеса этими каплями,позволяет ис-i и анализировать зависимость каздои из этих потерь

в отдельности от режимных и геометрических параметров, а,следовательно, н принять мери к их сншэншэ;

- использование комплекса програш для ЭВМ расчёта влаж-нопароБого потока в осевых турбинах позволяет автоматизировать процесс проектирования и снизить его трудоемкость,а такие повысить качество проектов за счет проведения широкомаситаб-' ного численного эксперимента.

Достоверность и обоснованность научных результатов определяется:

- использованием в математических моделях фундаментных уравнений газовой дданаминн, кинетической теории авдкости,термодинамики и статистической физики,современных методов вычислительной математики;

- получение?,? в результате применения разработанных моделей таких вариантов конструкций проточной части,которые по своим ге-сштрическш параметрам близки к тш конструкциям,которые получены путем длительной и всесторонней экспериментальной отработки;

- удовлетворительным совпадением результатов расчётов с эк-епершенташшш данными различных организаций .полученных в разное время и в широком диапазоне изменения конструктивных ж режимных параметров.

АПРОЕАЦЩ РАБОТЫ

Материалы диссертации докладывались:

- на УП Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических шшиах и аппаратах" Д985г. .проводимой Госкомитетом СССР по науке и технике и Научины Советом АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика",а такке на Ж конференции

в 1990г.;

- на республиканской научно-технической конференвди"Математические модели процессов и конструкции энергетических турбсма-шин в системах их автоматизированного проектирования",г.Готвалщ 1982г,проводимой Украинским отдалением научного Совета АН СССР по комплексным проблемам энергетика;

- на научно-технических семинарах по теплофизике энергооборудования Ленинградского отделения Научного Совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика",1984,1985, 1986 г.г.

Материалы диссертации представлялись на конкурсы Централь- | ного правления и МО НТО им. акад. А.Н.Крылова и отмечены грамотами (1983,1984,1985 г.г.) и дипломом П степени (1986г.). I

!

ПУБЛИКАЦИИ |

По результатам работы опубликовано 7 статей в центральных изданиях: "Теплоэнергетика", "Энергомашиностроение","Известия ВУЗов", а также в трудах ЦНИШФа и в отраслевых изданиях, опубликовано 2 тезиса докладов на Всесоюзных и республиканских конференциях.

Реализация работы. Представленный в работе комплекс программ прогнозирования износа влакнопаровых ступеней и расчота потерь энергии с влажностью пара внедрен в практику проектирования в ОКБ '"¡Урбоатом" Харьковского производственного объединения атомного турбиностроения (акт внедрения от 7.04.91г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 4 глав, заключения, списка литературы,содержащего 141 наименование. Работа изложена на 198 страницах машинописного текста,иллюстрирована 48 рисунками, 2 таблицами.

Содержание -работы

В первой главе дан обзор литературы по проблемам,возникающим при проектировании оптимизированных конденсационных влаяно-паровнх турбин на основе математического моделирования физических процессов, и сформулированы задачи, решение которых составляет содержание работы.

Глава Т| "Математическое моделирование пространственного течения влажного пара" содержит описание математической модели с принятыми при построении её допущениями, а такие анализ результатов численного эксперимента по исследованию процессов, связанных с наличием влаги в проточной части.

Основой численных экспериментов, направленных на исследование двухфазного потока сложной структуры в турбомэгапнах, является трёхмерная математическая модель пространственного течения крупнодисперсной влаги в проточной части, построенная на базе моделирования процесса образования и движения капель методом Монте-Карло с помощью датчика случайных чисел. Математическая модель разработана при следующих допущениях:

Полагаем, что вся крута од исперсйая влага в мэявенцовоы за-' зоре образована в процессе дробления плёнки при отекании с выходной кромки сопловых лопаток. Пренебрегая наличием мелкодисперсной влаги в основной потоке,считаем,что 5 -с- 4С$ влаги сосредоточено в плёнка. Б атом случае максимальный диаметр капель .образовавшихся при дроблении плёнки,стекающей в поток,который дви-ается с известной скоростью,определяется критической величиной числа Бебера V! в Крит.

Принято,что средний объём образовавшихся капель равен половине максимального объёма кашш,а распределение капель по геометрическому параметру нормальное со средним ]/ .дисперсия при ¡ртоы определяется но правилу "трех силы".

Последовательность размеров случайных капель моделируется следующим образом:

- моделируется последовательность случайных чисел \Р} равномерно распределённых в интервале (ОД);

- определяется последовательность объёмов случайных капель, которая является выборкой из множества с принятой функцией распределения.

Общее количество калель,необходимое для адекватного отображения заданной функции распределения, определяется путём пробных расчётов.

В результате расчёта для последовательности случайных капель определены следующие характеристики: радиусы капель и координаты их в прямоугольной декартовой системе координат.

В дреддолозении.что основную роль в характеристике движения крупной кадли в зазорах и маклопатошой каналах играют ошш сштативления, система уравнений имеет вид:

Ж-

где:коэффициент сопротивления Сх = т (Не I ,а начальные условия в точке обрыва капли Ск0 к £ к0.

Для решения задачи считаются известными геометрические харак теристики проточной части:выходная кромка сопла,входная и выходная кромки рабочей лопатка,периферийные торцовые ограничительные поверхности канала в осевом зазора и в межлопаточном пространстве

Посла прохождения каплей входной кромки, рабочей лопатки пошляется возможность столкновения капли с лопаточным аппаратом. 3 этого момента дальнейшее движение капли рассматривается во вра-цающейся системе координат.жёстко закреплённой с рабочим колесом î обладающей окружной скоростью а> . В данной задаче рассматрив§-4 зтся движете капли в ос асимметричном потоке пара с известными 1араметрами,т.в, полагаем, что прямая задача расчёта установив-шгося осесикметричного течения рабочего тела в проточной части >севой турбины предварительно решена.

В результате преобразований получена нормальная нелинейная • зистема уравнений первого порядка, описывающая пространственное дашоние крупнсдссперсной. влаги в проточной части осевой турби-ш под действием сил сопротивления в ооесшиетричном поле скоростей сплошной среды. Система разрешима относительно производите, î

Для реализации разработанной модели предполагаются известиями критерии эрозионной стойкооти материала, из которого сдела-ш элементы проточной части.

Условная скорость воздействия капель определённого диаметра ;о которой не возникает повреждающих поверхность напряжений,т.е. юроговая скорость повреждения определена зависимостью Y шг a /(I) Аналогичной зависимостью определена пороговая жорость разрушения - скорость воздействия капель определённого №аметра,при превышении которой возникают микроразруиенвд после зднократного воздействия,т.е. Упр / {£)

Аппроксимированы для стали 20x13 также зависимость числа щклов нагружения поверхности образца при характерном диаметре сапель <L » I мм от скорости соударения, необходимых для появле-шя каверны,т.е. окончания инкубационного периода - Рп = / (V), зависимость относительного диаметра пятна контакта капли d к s лопаткой от скорости соударения - ¿/к = , зависимость

относительной глубшш впадин рельефа ,сформировавшегося на юверхности лопатки, от радиуса воздействующих капель £ * /{A)t зависимость скорости износа поверхности лопатки от скорости соу-щренкя в период формирования рельефа при интенсивности нагруне-изя I ^Тё— Я 1 ^ ( О а зависимость скорости износа юверхности лопатки от скорости соударения в период устанозившей-

ся эрозии при интенсивности нагруженш I т?/тР/о

Б качестве шшострацш;метода выполнен расчёт эрозионного износа последней ступени турбины-на номинальном режиме.Основные1 •эксплуатационные параметры:;

угловая скорость вращения ротора - 3500 об/мин, расход влаяного пара -:;;18,42 кг/с, влажность - 8,4$, г- ь^^-г.-? материал рабочих лопат6к;<-'-20 х 13, длительность расчётннх испытаниА - 40 тыс.ч. При расчете учтена неравномерность распределения влажности по высоте лопатки на основе' 'обобщенных экспершентальных данных. Зависимость уноса массы материала'1 от времени приведена на рис.1. Результаты расчётов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. «I ^.с.ск-т

' Численный экспершент^о-исследованшо зависимости эрозион-, ного износа от скорости пара основного потока показал, что если ступень спроектирована с ¡уменьшенным градиентом реактивности по высоте лопатки,т.е. периферийная-абсолютная скорость выхода пара из сопел "Сд-" увеличена по'сравненкю со ступенью,закрученной по одному из традиционных методов закрутки,то за счёт уменьшения максимального диаметра возможных капель,определенного критерием Вобера,резко снижается абсолютный-¡унос металла, и, следовательно, возрастает ресурс облолатывадия;."Анализ показывает,что увеличение абсолютной скорости ''С|:в-'та!сих пределах,которые гарантируют повышение тепловой экономичности ступени.обеспечивает снижение интенсивности эрозионного "-разрушения лопаточного аппарата примерно в четыре раза (рис.1).-;.-"*

Путем решения приведейных-1 математических моделей определяйся тонне основные составляющие^'потерь энергии с влажностью,т.е. потери на разгон капель цароьш-Потоком, на механическое торло-кейие рабочего колеса 1сашямй,ударяющими в сшшку рабочих лопаток.

Уровень суммарных потерь: энергии хорошо согласуется с опытными данными других организаций. Действительнее потери энергии несколько выше расчёишхза'счет того,что разработанная модель не является тоадественным отображением действительного процесса, т.к. не учитывает дробление капель при соударении с рабочим колесом,взаимодействие капёль-ыевду собой, наличие в потоке

Puc. -I

мелкодисперсной первичной влаги и т.д. (Рис, 2).

Глава "Теория установившегося вихревого осевишетричного ■ течения двухфазной сжимаемой жидкости" содержит описание математической модели двухфазного пограничного слоя на плоской пластине и её решение, а также описание математической модели прямой' задачи неравновесного процесса расширения переохлаждённого пара в сверхзвуковых соплах и её решение.

Одной ез особенностей движения капли в газовом пограничном слое является наличие скольдэния капли,т.е. рассогласования по величине скоростей пара и капли. Следовательно,ниже некоторой линии скорость капли будет больше скорости пара, а вше этой линии - наоборот. Другая особенность,которая имеет место в двухфазном пограничном слое, это вращение капли под действием градиента скорости.

Вращение капли вызывает в свою очередь так называемые силы Магнуса,которые устремляют капли, лежащие выше некоторой линии, к ядру потока. Капли ае, находящиеся ниже, этой линеи,под действием силы Магнуса движутся к обтекаемой поверхности.Положение этой некоторой линии определяется скоростью капли.

Сущность разработанного метода состоит в рассмотрении движения двухфазной среди как капельного потока сложной структуры 1 в пограничном слое насыщенного пара с использованием основных по ложений теории пограничного слоя. При этом структура капельного потока моделируется методом Монте-Карло.

Для описания движения вязкой сжимаемой жидкости в условиях

пограничного слоя преобразуем известную систему уравнений: Г// ш + ¿Г ш. с _ Л зЪ + л /,. ¿и.\

.^ л ^ ^ ^

[ёж -

где^о = -/(р.т), а^ = / (Т). Уравнение энергии замыкает эту систему, однако для случая плоской пластины, ешш чиело Маха М^ 1,0, 1 а также учитывая незначительность составляющей массовой силы поперёк пограничного слоя, можно пренебречь влиянием сжимаемости. Тогда поперёк пограничного слоя давление постоянно и приведенная выше система уравнений может быть преобразована в уравнения Прандтля для установившегося течения. С учетом действия массовых сил при условии,что в направлении,перпендикулярном направлению течения,

Рис. I

порядок составляющая массовой силы существенно меньше,система

уравнений примет вид: I

и Ш. ^ г _ АЛ. ч. ,) 2 и. + г

где /'и - составляющая массовой силы в направлении основного потока;

и- - составляющая скорости потока вдоль пластаны;

аГ - составляющая скорости,перпендикулярная пластине; р л 9 - давление.плотнооть и динамическая вязкость потока;

' о: > у - координаты соответственно вдоль и перпендикулярно пластине;

Сила, действующая на отдельную каплю, определяется как результирующая силы сопротивления потоку/ сопр. и подъёмной силы1 Т" под.

В качестве скорости потока выбирается скорость ка линии, проходящей через центр капли.

под. определяется как результирующая сил давления по поверхности капли. Для оцекки-величины этой силы действительный градиентный поток заменён условны?,™ однородными, с границей по плоскооти, проходящей через центр сферической капли в направлении скорости обтекания и параллельной обтекаемой пластине(рис.З)

Проекция результирующей оил давленая по поверхности капли на ось "у" после преобразований и интегрирования определяется равенством: » у/ уг ф, /УУ^у

Результаты расчётов хорошо согласовываются с физическими явлениями, связанными с двухфазнЕЯтью пограничного слоя. Появление мелкодисперсной влаги в градиентном пограничном слое способствует большему заполнению эпюры распределения скорости по высоте пограничного слоя,что приводит к снижению непосредственной потери энергии на трение в пограничном слое.

Для осуществления численного эксперимента по исследованию и анализу структуры дискретной фазы в потоке водяного пара разработана математическая модель неравновесного процесса расширения переохладцённого пара,двшущегося с большой скоростью.

У

Рис.3

Известно,что расширение влакного пара в решётх^ах турбома-шин вносит ряд существенных особенностей, связанных с двухфаз-ностью рабочей среды. В первую очередь - это процесс спонтанной конденсации движущегося с большой скоростью сильно переохлаждённого пара. Неравновесный процесс конденсации оказывает существ-венное влияние как на надёжность лопаточного аппарата влажнопа-ровых турбин и его виброшумовые характеристики, так и на тепловую экономичность.

Скачкообразный процесс спонтанной конденсации пара я,связанное с ним, резкое повышение температура и давления, могут служить причиной роста вибрационных напряжений в лопаточном аппарате проточной части. Образовавшиеся в результате конденсация капли влаги, движущиеся в силу малых своих размеров со скоростью пара, могут вызвать эрозионное разрушение материала лопаток, a ese-дание первичной влаги в местах, защищенных от действия основного , потока, и растворение в ней до повышенной концентрации солай,содержащихся в пара, приводит к коррозионным повреждениям деталей проточной части турбин.

Основным параметром, определяющим характер течения неравновесного процесса спонтанной конденсации, является скорость ядро-образования, зависимости для определения которой выведены различными авторами на базе общей теории флуктуаций в рамках кинетической теории жидкости и статической физики, рассматривающих переохлаждение водяного пара в статических условиях.

В связи с тем, что критический размер зародышевых капэль, вычисленный с помощью названных выше теорий, мал, сама картина процесса, построенная на основании кинетической теории жидкости, является лишь первым приближением к действительности ж нуждается в исправлениях, связанных, превде всего, с учётом дискретного характера переменной " g " - числа простых частиц, составляющих за-родшп, в области малых значений последней.

■ Система уравнений, описывающая процесс расширения пара в сопле имеет следующий вид:

- уравнение движения , c/¿ __/ ¿jn

^ d-sc г

- уравнение неразрывности

О * /^¿уР г ам$/

Уравнения состояния, полученные аппраксимацией I - .5 диа -рашы.уузб',/?); Т* * %(р)) I 1 ¿(р> ^ )У1/>'(р) ')%/> *1рУр)

Замыкает систему уравнение адиабатного процесса: гр, (—- )

Н '

и функция, задающая геометрии сопла Р = Г (х).

Система уравнений разрешена относительно приращения давления с учётом изоэнтрспийности процесса: ¿Р _ Л ¿£

и проинтегрирована методом Рунгб-Кутта.

Во второй зоне, являющейся зоной спонтанной конденсации при максимальном переохлавдении, приведенная выше система уравнений дополняется формулами молекулярно-кинетической теории газов и статической механики, позволяющими определить основные характеристики неравновесного процесса образования влаги в быстро-цвижущемся потоке переохлаждённого водяного пара.

Скорость ядрообразования или скорость выделения из переохлаждённого пара, движущегося с большой скоростью, гетерофазных |>луктуаций, состоящих из 30*100 молекул, для которых отступле-аия от прямой пропорциональности, свободной энергии числу частиц могут быть сведены к влиянию поверхностных сил (поверхностного ыатяженвя или поверхностной энергии),определяется по модифицированной формуле Зельдовича-Френкеля, а скорость роста капель, когда их диаметр меныпе длины свободного пробега молекул,по формуле Булера.

Влияние абсолютной скорости пара на протекание неравновесного процесса конденсации в первом приближении учтено путем введения в формулы, в которых используют коэффициент поверхностного натяжения .безразмерных комплексов,характеризующих скорость изменения параметров пара вдоль оси сопла.Тогда:

а

Зч> * —,

где В = -LkiL . при ¿с л

pi -гя, ¿¿с

а В при

Л-/ / /« '

Количество капель, образовавшихся на расчётном интервале в единицу времени, определяется по формуле:

% • f-ajc ,

а количество сконденсироваЕиейся влаги

g а

где û - секундный массовый расход влажного пара.

Зная количество капель радиуса = jf кр +А § ,кол чество влаги, имеющейся в данном интервале, определяется по формуле л

& -Л,

Повышение температуры пара, имеющее место при теплообмене между зародышами влаги в момент их образования и основным потоком, определим по формуле

а~г г._g/a_

' СРС (Ï-^)-ÛbO^ '

где Св - удельная теплоёмкость воды

Таким образом, если поток уже сверхзвуковой,то температура в конце данного участка

т = тпп + т1» а если M <1, то Т = Тпп - Tj

Расчет в третьей,равновесной зоне аналогичен расчёту в nef вой зоне, только температура пара равна температуре насыщения, а вла.5шость соответствует равновесной, диаграммой влажности.Прг нимая, что капли движутся со скоростью пара и число их в единив объёма смеси остаётся постоянным, изменение радиуса^капель за счёт сконденсировавшейся на них влаги определим по формуле

JL - Vif

где и. радиус капли, и влага на выходе из второй зонь

¿¿Уд - соответственно из третьей.

и -о

Результаты расчёта но предложенной методике представлены на рис. 4,где дано сопоставление с опытом МЭИ.Совпадение расчёт ных и экспериментальных данных удовлетворительное.

В главе "Конструктивные и газодинамические особенности эро зионностойких ступеней" рассмотрены результаты численного экспе римента с целью исследования влияния изменения газодинамических к геометрических (углов входа и выхода потока в абсолютном и от носительном движении, профиля облопачивания) параметров последних ступеней мощных конденсационных турбин на эрозионную стойкость рабочих лопаток. Примерами таких ступеней служат последние ступени турбин К220 ЕПЗ.КЗОО и К1200 ЖЗ,СК-12А КТЗ.

Один из результатов численного эксперимента представлен на рис.5,6 и 7, где "И" - исходная ступень, спроектированная завод скимн ЕБ, а "Б" - ступень, прошедшая расчетную модернизации с целью повышения эрозионной стойкости лопаточного аппарата.

Анализ результатов расчетов показывает, что в эрозионностс кой ступени,которая не уступает исходной по тепловой эффективно ти, применена сравнительно более глубокая,чем в исходной,так на зываемая "обратная закрутка" соплового профиля - уменьшение от корня к периферии угла выхода потока <4/ Вызванное этим измене ние характера распределения площади выхода потока по высоте направляющегося аппарата явилось причиной снижения периферийной степени реактивности,увеличения скорости ^ выхода пара из сопел в абсолютном движении,уменьшения размеров капель влаги,обра зующихся при. дроблении пленки, стекающей с неподвшашх лопаток, как следствие,»; уменьшению,(а иногда и ликвидации, эрозионного износа входных кромок рабочих лопаток. Одновременно момент обрг зования у корня тороидального вихря на долевых по расходу пара режимах работы, доля которых даже у мощных конденсационных турбин продолжает увеличиваться в связи с переменностью графика электрической нагрузки, отодвигается в зону гораздо более низких расходов пара.

Модернизированная ступень ("Б") имеет, как показал численный эксперимент, ряд определенных преимуществ:

"I) реакция у вершины уменьшилась, иногда значительно (до 15%), ........ .....................

2) углы входа потока в рабочую решетку р ^ изменяются по

пг) rr-, L/

^^ ч

4 1 ¿Lo

^ Оо о

Г\

о :э

высоте лопатки в значительно меньших пределах, что снижает интенсивность закрутки;

3) скорость пара на выходе из рабочей решётки в относительном движении в периферийных сечениях снижается. Поэтому даже увеличение интенсивности изменения угла выхода потока не

приводит к росту потерь энергии с выходной скоростью.

Сапоставление результатов численного эксперимента по прогнозированию эрозионного износа входных кромок рабочих лопаток исследуемых ступеней с экспериментальными данными, выполненное заводами-изготовителями, о чем свидетельствую® их заключения, приложенные к диссертации, говорит о достаточно надекном приближении выбранных физических моделей к реальному процессу, имеющему место в последних ступенях мощных конденсационных турбин.

О математической достоверности численного эксперимента свидетельствует исследование, приведенное в # 4.3,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан оригинальный метод прогнозирования эрозионно-иноса входных кромок рабочих лопаток влажнопаровых турбин, }рый, в отличие от других известных методов, позволяет достаю надеано прогнозировать все стадии эрозионного износа,учи-шт геометрические особенности рассматриваемых ступеней,вклю-' профиль облопачивания, материал рабочих лопаток и результаты цзарительного упрочнения входных кромок всеми, применяемых® фбивостроении методами.

2. На основании анализа и обобщения известных экспзршен->ннх исследований построена физическая модель образования жкения крупнодисперсной влаги в проточной части влакнопаро-турбин с различными геометрическими и режимными характерис-цли в осесимметричности постановке, позволяющая решить вопро-[рогнозированш эрозионного разрушения входных кромок рабо-лопаток, а такне определить потери энергии на разгон капель >вкм потоком и на соударение их с рабочим колесом.

3. Разработаны физические модели двухфазного газо-кадолыю-юграничного слоя и неравновесного процесса образования мелко-;ероной влаги при движении переохлажденного пара в сверхзвук соплах с учетом обтекания капли градиентным потоком и вли-

с характера изменения параметров в сопле на скорость ядрооб->вания. Эти модели легли в основу методов расчета потерь на 1ие при обтекании профиля двухфазной средой и прогнозирова-эрозионного износа входных кромок рабочих лопаток, с исполь-[Нием полученных в результате расчетов данных о дисперсии геров и кинетических характеристиках первичной влаги.

4. Созданы математические модели физических процессов, ццих место во влажнопаровой многоступенчатой турбине.решение рых осуществлено методами Монте-Карло и Рунге-Кутта.

5. Разработан комплект программ для ЭШ реализующий матема-юкие модели, для включения его в САДр "Проточная часть".

6. С помощью указанных выше программ выполнен численный :еримент, по прогнозированию эрозионного износа входных кро-рабочих лопаток с различными, геометрическими и режимными метрами, изготовленных из разных материалов и прошедших вварительное упрочнение материала. Расчетные данные достаточ-

но надежно подтверждают эксперименты различных организаций.

7. Показано, что увеличение периферийной скорости выход? пара из сопел в абсолютном движении, достигаемое за счет ' уменьшения градиента реактивности по высоте ступени,приводит к существенному (вплоть до полного отсутствия) снижению эрозионного разрушения входных кромок рабочих лопаток при кадле-ударном воздействии крутшодисперснои вторичной влаги.

I

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Бабот Ф.Н.Оптимизация параметров осевой турбинной ¡тупени // Тез.докл.Республ.научно-тех.конфр, Автоматизирование системы управления, . . ' Харьков,1982.-С.205

2. Бабот Ф.Н..Полухин В.П. Расчет пространственного потока двухфазной жидкости в канале осевой турбинной ступени

'/ Изв.ВУЗов. Энергетика.-1984.-b3.-G.93 * 95.

3. Бабот Ф.Н.,Полухин В.П. Определение уравнения средне-юпагочной поверхности турбины. . ' 1 ' -Деп. в ВИНИТИ. ¡.07.84, 1204ЭМ.-Д83.-М. - 6 с.

4. Бабот §.Н.,Полухин В.П. Численное исследование простран-¡твенного течения влажного пара в ступенях турбдааяшн

7 Тез.докл.УП.Всесоюзная конф, Влажнопаровые потоки,.— Лу 1985.-С. 84.

5. Бабот §.Н..Романов Л.М. Определение потерь энергии.

> двухфазном пограничном слое на плоской пластине // Изв. БТЗов. )иергетшса..-1988. -Ш. -С.82 - 86.

6. Бабот Ф.Н.,Романов Л.М. Математическая модель движения 5лаги и расчёт эрозионного износа лопаток паровых турбин

Ч Теплоэнергетика.-1987.-Й 9.-С.56 + 57.

7. Бабот Ф.Н..Романов Я.М. Расчет потерь энергии турбинной ¡тупени, связанных с влажностью пара // Изв. ВУЗов, Энергетика.-[989.- № 4.- С.86 + 91.

8. Бабот Ф.Н.,Полухин В.П. Влияние геометрических и режим-1ых параметров оопла на неравновесный процесс образования влаги УИзв.ВУЗов.Энергетика.-1988.- & 12.- С.51 * 55

9. Бабот Ф.Н. Газодинамический метод повышения эрозионной зтойкости лопаток турбин // Изв.ВУЗов.Энергетика.-1991.- № 5.3.90 - 96.