автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин

На правах рукописи

Тищенко Виктор Александрович

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ВЛАЖНО ПАРОВОГО ПОТОКА В ЭЛЕМЕНТАХ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ТУРБОМАШИН

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ь ш т

Москва - 2014

005549426

Диссертация выполнена на кафедре Паровых и газовых турбин Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель Грибин Владимир Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой паровых и газовых турбин ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты

Зейгарник Юрий Альбертович, доктор технических наук, главный научный сотрудник ФГБУ ОИВТ РАН

Жпнов Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой тепловых двигателей и теплофизики Калужского филиала ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана

Ведущая организация ОАО «НПО ЦКТИ»

Защита диссертации состоится июня 2014 г. В 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.141.09 при ФГБОУ ВПО Московском государственном техническом университете им Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Рубцовская набережная, д. 2/18, учебно-лабораторный корпус, ауд. 947.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технического университета им Н.Э.Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 105005, Москва, 2-я Баумансая ул., д.5, ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.09.

Автореферат разослан «-j-» мая 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Тумашев Р.З.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Несмотря на накопленный опыт проектирования и эксплуатации, остается острая необходимость в повышении эффективности и надежности основного оборудования ТЭС и АЭС.

Значительные резервы повышения эффективности и надежности имеются в проточных частях паровых турбин работающих на влажном паре, в особенности в областях последних ступеней ЦНД. При этом характер течения среды в этом участке проточной части изучен недостаточно. В первую очередь это связано с наличием дискретной среды в потоке влажного пара, что приводит к интенсификации сложных процессов термодинамического и механического межфазового взаимодействия. Имеющиеся на данный момент результаты экспериментальных и численных исследований влажнопаровых потоков позволили получить подробные фундаментальные представления о природе межфазовых взаимодействий. Однако прикладное применение этих знаний к конкретным инженерным задачам порой оказывается невозможным.

Одной из основных задач, до конца не изученных на данный момент, является вопрос образования и движения крупных эрозионно-опасных капель в межосевом зазоре турбины. Для полного анализа эффективности мероприятий по повышению надежности лопаточного аппарата последних ступеней ЦНД (сепарация жидких пленок из проточной части, использование новейших материалов и наплавок и так далее) необходимы знания о траекториях и характеристиках капель вдоль них (коэффициенты скольжения, направление движения, размеры). Активное развитие экспериментальных подходов исследования (системы лазерной диагностики, пневмометрических и оптических измерений), а также совершенствование численных методов решения задач механики сплошных сред (совместно с ростом вычислительных возможностей компьютеров и кластеров) создают благоприятные предпосылки для более детального изучения особенностей течения двухфазной конденсирующейся среды. Применение корреляционного метода PIV (Particle Image Velocimetry), интегрированного в систему лазерной диагностики, позволяет определять поля скоростей дискретных частиц в потоке. Использование этих данных позволит экспериментально выявить траектории крупных капель в межлопаточном зазоре и определить их основные характеристики. Однако на данный момент подобные методики не применялись для исследования влажно паровых потоков.

Цель работы

Разработка и реализация экспериментально обоснованной методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин с использованием системы лазерной диагностики. При этом решались следующие задачи:

1. Разработать эффективную методику применения системы лазерной диагностики для определения скоростных характеристик крупных капель в потоке.

2. Настроить и проверить математическую модель влажнопаровых потоков для обеспечения получения корректных данных о параметрах паровой фазы при наличии крупнодисперсной влаги в потоке.

3. Разработать и верифицировать методику бесконтактного определения средних размеров крупных капель вдоль их траекторий, основываясь на экспериментально определенных полях скоростей жидкой фазы и данных о паровом потоке, полученных методом математического моделирования.

4. Апробировать разработанные методы и подходы при исследовании структуры капельного потока за изолированной сопловой решеткой и определить влияние режимных параметров на распределение основных характеристик частиц жидкой фазы.

Научная новизна

• Разработан метод применения системы лазерной диагностики для исследования характеристик жидкой фазы при течении влажно парового потока в проточных частях турбомашин.

• Разработана бесконтактная расчетно-экспериментальная методика определения средних размеров капель.

• Впервые экспериментально были определены характерные траектории движения крупных капель и распределение их основных параметров за сопловой решеткой.

• Проведена модификация расчетных моделей CFD кода Ansys Fluent для математического описания влажного пара.

• Получены обобщающие характеристики эрозионно-опасных капель за сопловой решеткой, которые подробно описывают особенности их движения в этой области.

Практическая ценность

- Разработанная методика может быть использована при изучении движения двухфазной среды в проточных частях паровых турбин.

- Полученные экспериментальные данные о движении крупных капель за сопловой решеткой могут быть использованы при анализе условий натекания частиц дискретной фазы на входные кромки рабочих лопаток.

- Данные о характеристиках крупнодисперсной влаги могут быть использованы при проектировании ступеней турбин.

- Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при верификации математических моделей движения влажно паровых потоков.

Достоверность н обоснованность результатов обеспечивается проведением тестовых испытаний в изученной области изменения параметров для сопоставления полученных по разработанным методикам результатов с результатами ранее проведенных исследований с применением аттестованных измерительных устройств и апробированных методик измерений.

Автор защищает

1. Методику применения системы лазерной диагностики и метода P1V для исследования влажно паровых потоков.

2. Экспериментально-расчетную методику бесконтактного определения средних размеров капель в потоке влажного пара.

3. Результаты экспериментальных исследований структуры капельного потока и характеристик эрозионно-опасных частиц жидкой фазы за изолированной сопловой решеткой.

Апробация работы

Основные результаты настоящей работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:

1. Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ», Москва, 2009-2013 г;

2. Power System Engineering, Termodynamics & Fluid Flow ES 2010. Department of power system engineering faculty of mechanical engineering university of Bohemia. Pilsen. 2010;

3. 3-я конференция молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «СИЛОВЫЕ МАШИНЫ». ОАО «Силовые машины». Санкт-Петербург. 2012 г;

4. Baumann Centunary Wet Steam Conference. Cripps Court conference centre, Magdalene College. Cambridge. 2012;

5. Научный семинар НЦ «Газодинамика», ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ». Москва. 2013.

Реализация результатов работы

Результаты работы используются в учебном процессе кафедры паровых и газовых турбин Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет МЭИ» Публикации

По результатам диссертационной работы было опубликовано 4 научные статьи, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 7 докладов на научно-технических конференциях. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы, изложена на 211 страницах машинописного текста, содержит 124 рисунка, 3 таблицы и библиографию из 139 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены направления перспективных исследований течения влажнопаровых потоков в проточных частях турбомашин.

В первой главе представлен обзор литературы, посвященный особенностям движения дискретной фазы в последних ступенях турбомашин, методам экспериментального исследования параметров дискретных частиц, влиянию различных режимных параметров на характеристики жидкой фазы в межосевом зазоре ступени, источникам образования крупнодисперсных капель в проточной части турбины. Рассмотрен P1V (Particle Velocimetry Tracking)

метод, интегрированный в систему лазерной диагностики потоков. Он позволяет определять мгновенные поля скоростей трассеров, движущихся в потоке. Обзор литературы показал, что система лазерной диагностики для исследования движения дискретных фаз, после некоторых доработок, может быть использована для комплексного изучения параметров полидисперсного потока. В отличие от ранее применяемых точечных методов, PIV метод позволяет получить распределение основных параметров капель в плоскости. По итогам обзора литературы были сформулированы задачи и поставлены цели для данной работы.

Во второй главе приводится описание комплексной методики экспериментального измерения параметров влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин, а также рассматривается процесс математического моделирования течения двухфазной среды в CFD коде Ansys Fluent 14.

Исследования проводились на экспериментальном пародинамическом стенде КВП - 2, позволяющем исследовать течение перегретого, насыщенного и влажного пара в элементах протонных частей турбомашин при различных скоростях потока. Рабочее тело для исследований берется из отбора паровой турбины ТЭЦ МЭИ и в перегретом состоянии поступает на экспериментальный стенд. Для изменения начального состояния пара от перегретого до насыщенного, используются две ступени увлажнения. Они снижают температуру перегрева путем впрыска охлаждающей питательной воды. Формирование полидисперсного влажнопарового потока осуществляется за счет пародутьевых форсунок, установленных в баке-ресивере стенда КВП-2. Они впрыскивают питательную воду в паровую среду, находящуюся в состоянии насыщения. Тем самым образуются частицы дискретной фазы, среднемассовый размер которых составляет 25 - 30 мкм. Путем изменения расхода воды, поступающей в ступени увлажнения и пародутьевые форсунки, производится регулирование начального состояния пара. Подготовленный таким образом влажно паровой поток поступает в исследуемый канал, после чего направляется в конденсатор и возвращается в технологический цикл ТЭЦ.

Изменение режима течения производилось посредством регулирования давления полного торможения в баке-ресивере перед исследуемым объектом и величины вакуума, поддерживаемого в конденсаторе.

В качестве штатных систем измерения, на стенде КВП-2 использовались:

• Измерительно-вычислительный комплекс MIC-300M, который предназначен для регистрации, сбора, обработки и представления данных о пневмометрических параметрах парового потока (давление, температура). Эта система в настоящей работе используется для измерения температуры полного торможения и статического давления. Измерения температуры полного торможения среды в баке-ресивере производится посредством термопары КТХК02.01-С10-И-1,0-1000/2000 (хромель - капель), а для определения распределения статического давления на поверхностях исследуемых каналов применялся парокоммутатор ИДК-16.

Зеркало Исследуемый

Лазерный"*- объект> нож

• Теневой автоколлимационный прибор ИАБ-451, который предназначен для визуализации волновой структуры сверхзвукового потока сплошной среды (скачков уплотнения и конденсации). Регистрация изображения производилась посредством скоростной видеокамеры Видеоспринт-06 (5000 кадров в секунду) и фотокамеры Видеоскан-285-2001 (8 кадров в секунду).

• Система лазерной диагностики Рис. 1. Система лазерной диагностики ПОТоков «ПОЛИС», которая

«ПОЛИС» использовалась для определения полей

скоростей жидкой фазы посредством интегрированного в нее алгоритма Р1У. Поток, в котором присутствуют трассеры, два раза с заданным интервалом времени освещается плоским лазерным лучом, сформированным сдвоенным импульсным лазером. Засвеченные капли фотографируются скоростной фотокамерой. Корреляционный алгоритм Р1У, определяя смещение капель на втором кадре по отношению к первому, рассчитывает мгновенное поле скоростей капель в плоскости лазерного ножа. Последующий набор пар фотографий позволяет получить статистически осредненное поле скоростей. Схема системы лазерной диагностики представлена на Рис. 1.

• Зонд инерционного осаждения капель и микроскоп с фотокамерой ОС1М5Ю, которые использовались для измерения дисперсного состава крупных капель влажно парового потока.

Конфигурация экспериментального стенда позволяет производить исследования в каналах различной геометрии благодаря возможности использования съемных рабочих частей. Они были препарированы таким образом, чтобы обеспечить возможность применения всех выше описанных систем. В настоящей работе рассматривалось движение влажно парового потока в трех различных каналах:

• Плоское несимметричное сопло Лаваля (Рис. 2, а). Расчетный режим в канале достигается при величине относительного давления на выходном срезе £а = 0,315 и безразмерной скорости А = 1,34. Величина £„ определяется:

£„ = -, (1) Ро

где ра- статическое давление на срезе сопла; р0- давление полного торможения перед исследуемым каналом.

Одна из стенок сопла была продренированна для измерения статического давления вдоль канала.

• Плоское симметричное суживающееся сопло (Рис. 2, б). Данный канал использовался для проверки разработанной методики бесконтактного определения средних размеров капель. В его боковой стенке организованны

отверстия для ввода зонда инерционного осаждения капель. Данные о дисперсном составе жидкой фазы, полученные с помощью него, сравнивались с результатами применения разработанной методики.

• Плоский пакет сопловых лопаток (Рис. 2, в). Решетка, состоящая из 5 каналов с относительным шагом t = 0,7, образованных сопловыми лопатками с углом выхода 17,6° и хордой Ь = 67,5 мм. Данный объект использовался при апробации разработанных методик для исследования характера движения дискретной фазы за сопловой решеткой. Измерения производились в среднем канале решетки. Рассматривалось распределение параметров как вдоль шага (координата х), так и в осевом направлении (координата I). х и г соответственно равны:

где х — координата вдоль шага; £ - шаг решетки; г — расстояние от выходной кромки в осевом направлении; Ь - хорда лопатки.

Для всех рассматриваемых каналов созданы расчетные сетки, построенные в сеточном генераторе 1СЕМ СРП, которые используются для проведения численного моделирования.

Рис. 2. Несимметричное сопло Лаваля (а), суживающееся сопло (б), плоская сопловая решетка (в). 1 - область исследований; 2 - дренажи статического давления; 3 — отверстия для зонда инерционного осаждения капель

В третьей главе описана экспериментально-расчетная методика бесконтактного определения средних размеров крупных капель. Подход по определению диаметров частиц дискретной фазы заключается в расчете характерных траекторий движения капель (на основе осредненных полей скоростей, полученных с помощью системы «ПОЛИС») и определении вдоль них основных параметров жидкой (скорости и ускорения, полученных экспериментально с помощью системы «ПОЛИС») и паровой (плотность,

скорость, динамическая вязкость, число Маха) фаз. Эти данные используются для определения средних размеров капель вдоль их траекторий.

Основные допущения, используемые при разработке методики:

1. Предполагается, что капли имеют сферическую форму.

2. Предполагается, что из всех сил, действующих на каплю, наибольшее влияние на характер ее движения оказывает сила аэродинамического сопротивления, воздействующая со стороны основного потока.

3. Предполагается, что величина аэродинамического сопротивления сферической частицы остается постоянной при изменении рассогласования между направлением движения основного потока и капли.

4. Предполагается, что обратное механическое воздействие капель (особенно крупных) на паровой поток минимально и им можно пренебречь.

На основе сделанных предположений средний диаметр капли в каждой точке ее траектории определяется из решения уравнения движения:

тка^ = ^АкСхРп1Сп ^к I С^гт £¡0- (4)

Здесь тк - масса капли; ак - ускорение капли; Ак- площадь поперечного сечения капли (в плоскости, нормальной к направлению движения газа); Сх-коэффициент аэродинамического сопротивления капли; сп- скорость паровой фазы; ск - скорость жидкой фазы. При расчете величины коэффициента аэродинамического сопротивления учитывалось влияние режима обтекания капли (число Re) и сжимаемости сплошной среды (число М).

Рассчитанная траектория является дискретным набором элементарных отрезков (разрешающая способность получаемых снимков позволяет добиваться разбиения траектории на отрезки длиной 0,5 - 1 мм). При расчете ускорения капель вдоль их траекторий предполагается, что на отдельном малом отрезке скорость изменяется линейно, то есть ускорение постоянно.

Система лазерной диагностики «ПОЛИС» была адаптирована для использования в условиях полидисперсных влажнопаровых потоков. Выявлено, что наличие светонепроницаемой водяной пленки на поверхности оптического стекла, интерференция лазерного ножа, засветка крупных капель приводит к некорректному определению векторов скорости частиц жидкой фазы. Для решения этой проблемы был реализован эффективный механизм постобработки данных о скоростях жидкой фазы, который позволил повысить качество получаемых данных и снизить экспериментальный шум.

Основной задачей применения CFD кода в работе было получение достоверных данных только о параметрах паровой среды. Сравнение распределений профильных потерь кинетической энергии вдоль шага решетки, рассчитанных с помощью CFD кода Fluent и определенных экспериментально, показало, что моделирование течения влажнопарового потока в условиях, формируемых экспериментальным стендом, сопровождается существенной погрешностью. Причинами наблюдаемого рассогласования можно считать в первую очередь отсутствие математического описания крупнодисперсной влаги, а также формирования, движения и срыва с поверхности лопатки водяной пленки. Кроме того проявляется погрешность в определении

некоторых параметров паровой среды, которые необходимы для корректного сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

Отсутствие водяной пленки на поверхностях лопаток компенсировалось выбором модели турбулентности Standard k-e, которая рассчитывает полностью турбулентный пограничный слой в пристеночной области, что приводит к получению завышенных потерь кинетической энергии за лопаткой. Тем самым компенсировалось наличие водяной пленки на поверхности профилей. Для обеспечения возможности расчета неравновесных процессов конденсации, данная модель была модифицирована - изменено уравнение расчета турбулентной вязкости.

Погрешность в определении некоторых параметров паровой среды была исправлена путем замены встроенных в CFD код Ansys Fluent уравнений свойств воды и водяного пара на уравнения, рекомендованные Международной Ассоциацией по Свойствам Воды и Водяного Пара.

Верификация с экспериментальными данными CFD кода Ansys Fluent 14 и его модифицированных компонентов проведена для несимметричного плоского сопла Лаваля и плоской сопловой решетки.

В сопле Лаваля на стенде КВП-2 создавались режимы с незначительным перегревом пара выше температуры насыщения (ДГ0 = 5К) на входе. При этом рассматривались как расчетный, так и нерасчетные (с наличием в сверхзвуковой части канала скачков уплотнения) режимы течения. На реализуемых параметрах потока в сверхзвуковой области имеет место релаксационный процесс перехода из неравновесного в равновесное состояние пара, выраженный скачком конденсации. Волновая структура сверхзвукового потока визуально фиксировалась с помощью теневого прибора ИАБ-451 и сравнивалась с результатами численного моделирования (Рис. 3). Расчетные данные довольно точно отображают наблюдаемую структуру потока. Сравнение распределений давления на профилированной вставке сопла также позволило говорить о корректности результатов моделирования.

Для верификации математической модели влажного пара, производилось экспериментальное исследование течения за плоской изолированной сопловой решеткой. В рамках работы производилось сравнение интегральных коэффициентов потерь кинетической энергии, полученных экспериментально и численным методом. На расстоянии 10% хорды лопатки от выходной кромки вдоль шага решетки посередине высоты лопатки осуществлялось траверсирование потока пара зондом полного торможения, а также измерялось статическое давление. Рассматривалось течение влажно парового потока при различных начальных значениях влажности и теоретического числа Маха за решеткой.

С ростом начальной влажности пара происходит увеличение потерь кинетической энергии. Применение CFD кода с модифицированной моделью турбулентности дает завышенное значение потерь кинетических энергии практически для всех значений начальной влажности. При у0 = 3% максимальное абсолютное значение рассогласования в расчетных и экспериментальных данных составляет порядка 1,5 %. С ростом начальной

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Теневые фотографии (слева) и соответствующие им расчетные картины течения (справа) на различных режимах при начальном перегреве выше температуры насыщения ДТО = 5К. а: £а = 0,38; б: еа = 0,51; в: еа = 0,63; г: £а = 0,66

влажности отличия в результатах моделирования и пневмометрических измерений снижается и при у0 = 10% они практически отсутствуют. В целях получения корректных данных только о паровой фазе, отсутствие учета в СРО коде крупных капель и водяной пленки можно компенсировать корректным выбором модели турбулентности.

Разработанная расчетно-

экспериментальная методика

бесконтактного измерения размеров капель с помощью системы лазерной диагностики верифицировалась в суживающемся сопле. На данный момент применение Р1У алгоритма позволяет определять средние по концентрации размеры капель. Результаты измерений сравнивались с данными, полученными с помощью зонда инерционного осаждения. Рассматривалось изменение средних размеров капель вдоль канала (см. Рис. 2, б). По мере движения вдоль канала, диаметры капель снижаются от 30 до 20 мкм, что связано с дроблением частиц крупных размеров в полидисперсном потоке. Наблюдается достаточно хорошее совпадение практически по всей длине рассматриваемой области, что говорит о корректности применения описанного подхода по определению размеров капель (Рис. 4).

40 г

У0 = 1%; р= 1900

X, м

0.02

0.04

0.06

0.08

- Разработанная методика Зонд инерционного осаждения

0,02 0,04 0,06 0,08

Рис. 4. Распределение средних размеров капель вдоль сопла

В четвертой главе рассматриваются особенности движения крупнодисперсной влаги за изолированной сопловой решеткой. Исследования

проводились при теоретическом числе Маха за решеткой Ми = 0,8. Рассматривалось влияние на характеристики потоков крупных капель таких режимных параметров, как начальная влажность пара (уо) и отношение плотностей фаз:

~р = Р-. (5)

Рп

где рв- плотность жидкой фазы перед исследуемым объектом; рп - плотность паровой фазы перед исследуемым объектом.

Источники крупных капель наблюдались как на фотографиях, полученных с помощью системы «ПОЛИС», так и на распределениях коэффициентов скольжения капель вдоль шага решетки. Было выявлено 3 потока крупнодисперсной влаги за решеткой:

• Капельный поток в кромочном следе.

• Капельный поток в области со стороны спинки лопатки.

• Капельный поток со стороны вогнутой поверхности.

Первые два источника крупнодисперсной влаги проявляются при всех рассматриваемых значениях начальной влажности пара, а последний наблюдался при у0 = 8,4%.

Основываясь на экспериментально определенных векторных полях скоростей жидкой фазы, были рассчитаны характерные траектории движения крупных капель за решеткой (Рис. 5). Они имеют криволинейную форму и направлены в сторону уменьшения угла выхода капель; при этом с увеличением начальной влажности пара угол выхода частиц дискретной фазы увеличивается. Траектория 1 соответствует потоку капель со стороны спинки лопатки, 3 - кромочному капельному следу, 4 - потоку со стороны вогнутой поверхности.

Вдоль рассматриваемых траекторий были определены основные параметры капель: коэффициенты скольжения (V), углы отклонения капель от направления парового потока (Да), средние диаметры (с!). Величины V и Да определяются соответственно как:

V — —, (6)

Сп

Да = а1к - а1я, (7)

где ск - скорость капель; сп - скорость пара; а1к - угол выхода капель; а1и -угол выхода пара.

Поток крупных капель со стороны спинки профиля (траектории 1) вблизи выходной кромки движется под большим углом - в этой области Да = 25". Установлено, что частицы дискретной фазы в данной зоне являются первичной влагой, проходящей межлопаточный канал без контакта с его стенками и пересекающей кромочный капельный след, или выбивающей дискретные частицы из него. Средние диаметры в этой области составили 10-15 мкм. С увеличением начальной влажности от 3,4% до 8,4% основные параметры капель практически не изменяются.

1 2 3 4 5

Рис. 5. Траектории крупных капель за решеткой при различной начальной влажности

Исследования показали, что в кромочном следе (траектория 3) на начальном участке движения (г < 0,12Ь) имеет место активное дробление частиц жидкой фазы — средние размеры капель уменьшаются (Рис. 6). После выравнивания дисперсного состава на участке 0Д2Ь < г < 0,22Ь начинается рост средних диаметров, что свидетельствует о начале коагуляционных процессов. По мере удаления от выходной кромки лопатки скорости капель непрерывно увеличиваются - коэффициенты скольжения растут от 0,5 - 0,55 при г — 0,05Ь до 0,69 — 0,74 при 2 = 0,26Ь. С изменением начальной влажности от 3,4% до 8,4% диаметры частиц вблизи выходной кромки растут от 85 мкм до 115 мкм. Это связано с ростом расхода в водяной пленке, формируемой на стенках лопатки.

0,02 0,06 ОД 0,14 0,18 0,22 0,26

Рис. 6. Распределение средних по концентрации размеров капель вдоль траектории 3

Установлено, что дисперсный состав дискретной среды в кромочном следе существенно зависит от начальной влажности пара. По мере удаления от выходной кромки, при начальной влажности у0 = 3,4% увеличивается

концентрация мелкодисперсной влаги, в то время как при у0 = 8,4% наблюдается рост концентрации крупных капель.

Поток крупных капель со стороны вогнутой поверхности (траектория 4) явно проявляется только при начальной влажности у0 = 8,4%. Его появление связано с интенсификацией процессов отражения и выбивания капель с поверхности водяной пленки, движущейся вдоль вогнутой поверхности лопатки. При этом средние диаметры капель увеличиваются от 10 мкм до 15 мкм.

Исследования показали, что изменение параметра р существенно влияет на характер движения частиц жидкой фазы за сопловой решеткой. Это связано с изменением аэродинамического воздействия на капли со стороны основного потока (так как изменение р в первую очередь приводит к изменению плотности парового потока).

Установлено, что увеличение плотности паровой среды (уменьшение р) приводит к вырождению потока крупных капель со стороны спинки лопатки. Это четко проявляется на распределениях коэффициентов скольжения за решеткой (Рис. 7) - в рассматриваемой зоне при р = 1994 величина v близка к 1, что говорит о движении капель преимущественно малых размеров. Кроме того, уменьшение р (увеличение плотности парового потока) приводит к уменьшению углов выхода частиц жидкой фазы.

Наблюдается существенное перестроение скоростей и размеров капель в

кромочном следе (Рис. 8). Уменьшение р приводит - к снижению коэффициентов

скольжения непосредственно

вблизи выходной кромки (z = 0,05b). При этом, если при максимальном значении р = 3790 величина коэффициента

скольжения практически не изменяется по мере удаления частиц жидкой фазы от сопловой решетки, то при р= 2581 и р= 1994 происходит активное ускорение частиц. Чем больше плотность пара, тем выше градиент скорости капель на начальном участке движения (z = 0,05b - 0,11b). Как следствие, в результате активного

механического взаимодействия фаз, вызывающего дробление

дискретных частиц, на режимах с р = 2581 и р = 1994 средние по концентрации размеры капель в области установившегося

Рис. 7. Распределение средних коэффициентов скольжения за сопловой решеткой при начальной влажности пара у0 = 3,4%. а: р= 3790; б: р= 2581; в: р= 1994

дисперсного состава (г = 0,11Ь - 0,19Ь) в два раза меньше, чем при р = 3790.

На основе проведенных исследований были получены обобщенные характеристики жидкой фазы в кромочном следе за сопловой решеткой (см. рисунок 9). На рисунке у = где с10 - средний размер капель перед

каналом.

Представленные характеристики имеют важное практическое применение на этапе проектирования проточных частей последних ступеней ЦНД конденсационных турбин и турбин АЭС. Их использование позволяет:

1. Получить входные треугольники скоростей для крупных капель, тем самым определить зоны активного эрозионного износа рабочих лопаток.

2. Выбрать оптимальное значение межосевого зазора ступени с точки зрения скоростей, углов движения и размеров капель.

3. Оптимизировать мероприятия по борьбе с крупнодисперсной влагой в потоке. Выбрать оптимальные параметры работы систем сепарации пленки и вдува греющего пара путем сравнивания характеристик движения капель за решеткой.

4. Полученные параметры движения крупнодисперсной влаги могут быть использованы как исходные данные для анализа активности эрозионного износа рабочих лопаток: определение степени разрушения материала в зависимости от времени работы машины, напряжения в металле при соударении капли с поверхностью лопатки и так далее.

0,05 ОД 0,15 0,2 0,25

Рис. 8. Распределение коэффициентов скольжения и размеров капель вдоль траектории, расположенной в кромочном капельном следе при у0 = 8,4%

Рис. 9. Распределение коэффициентов скольжения (а) и средних размеров (б) жидкой фазы в кромочном следе за сопловой решеткой при начальной влажности уо = 3,4%

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Доказана возможность применения программного комплекса ActualFlow, реализующего корреляционный метод определения векторов скоростей дискретных частиц (PIV) для экспериментального определения характеристик полидисперсных влажно паровых потоков в элементах проточных частей турбомашин.

2. Разработана и апробирована экспериментально-расчетная методика бесконтактного определения средних размеров крупных капель, которые движутся в основном потоке с ускорением и со скольжением по отношению к паровой фазе. Для этого выполнена модификация компонентов CFD кода Ansys Fluent 14, которая позволила применять численные методы и совмещать результаты расчетов параметров паровой фазы с результатами экспериментального исследования характеристик жидкой фазы.

3. Получены характеристики потока за сопловой решеткой, которые могут быть использованы при проектировании ступеней турбин, работающих в области влажного пара. Экспериментально определены характерные траектории движения, распределение коэффициентов скольжения, углов, диаметров крупных капель за изолированной сопловой решеткой.

4. При проектировании ступени и систем разрушения или удаления крупнодисперсной влаги необходимо учитывать основные источники крупных капель в потоке за изолированной сопловой решеткой и особенности процессов их формирования.

4.1 Крупные капли со стороны спинки профиля являются первичной влагой, формируемой перед исследуемым каналом и пересекающей кромочный след лопатки или выбивающей дискретные частицы из него. Их средний размер составляет 10-15 мкм.

4.2 Движение капель в кромочном следе характеризуется активным дроблением влаги на начальном участке траектории с дальнейшим выравниванием средних размеров капель. На расстоянии 0,23b - 0,25Ь от выходной кромки лопатки начинаются процессы коагуляции и роста средних диаметров.

4.3 При развитом пленочном течении на вогнутой стороне профиля (при начальной влажности у0=8,4%) интенсифицируются процессы срыва и отражения капель с ее поверхности, что способствует формированию потока крупных капель за сопловой решеткой.

5. На формирование и характеристики потоков крупнодисперсной влаги существенное влияние оказывает степень влажности перед решеткой, а также соотношение плотностей паровой и жидкой фаз.

5.1 Изменение начальной влажности в диапазоне у0 = 3 — 9% при р = 2581 не приводит к существенным изменениям v, ак, dK капель, движущихся со стороны спинки лопатки.

5.2 С увеличением начальной влажности до у0 = 8,4% при р = 2581 наблюдается рост средних размеров капель с 15 мкм до 20 мкм на границе капельного следа со стороны вогнутой поверхности лопатки, что обусловлено появлением нового источника формирования потока крупных капель.

5.3 В кромочном капельном следе с ростом начальной влажности от 3,4% до 8,4% при р = 2581, средние размеры капель вблизи выходной кромки изменяются от 85 мкм до 115 мкм.

5.4 Изменение давления, а, следовательно, и плотности паровой фазы оказывает существенное влияние на структуру капельного потока. Уменьшение коэффициента р от 3790 до 1994 приводит к интенсификации процессов механического взаимодействия фаз - увеличивается ускорение капель на начальных участках траектории в кромочном следе, углы выхода капель уменьшаются, средние размеры капель в кромочном капельном следе снижаются в 3,5 раза. Поток крупных капель со стороны спинки лопатки вырождается, а область проявления крупнодисперсной влаги уменьшается.

6. На основе экспериментальных данных разработаны рекомендации по применению CFD-кода Ansys Fluent 14, проверенные по результатам расчета влажного пара в каналах различной геометрии в рабочем для проточных частей турбомашин диапазоне параметров. Получено удовлетворительное совпадение результатов расчета и экспериментов, полученных, в том числе, различными авторами.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработка методики применения лазерной диагностики для исследования характеристик полидисперсных влажнопаровых потоков / В.А. Тищенко [и др.] // Известие РАН. Энергетика. 2010. № 6. С. 11 - 20.

2. Особенности образования жидкой фазы и формирования структуры потока пара в сопловой решетке / В.А. Тищенко [и др.] // Вестник МЭИ. 2013. № 1. С. 24-29.

3. Экспериментальное исследование влияния начальной влажности на распределение параметров эрозионно-опасной жидкой фазы за сопловой турбинной решеткой / В.А. Тищенко [и др.] // Вестник МЭИ. 2013. №1. С. 55 -61.

4. Experimental studies of polydispersed wet steam flows in a turbine blade cascade / V. Tischenko [и др.] // Proceedings of the IMechE, Part A: Journal of Power and Energy. 2014. V. 228. № 2. P. 168-177.

5. Исследование структуры влажно-парового потока в элементах проточных частей турбомашин / В.А. Тищенко [и др.] // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 16 международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. международной конф. Москва. 2010. Том 3. С. 268 - 269.

6. Сорокин И.Ю., Тищенко В.А., Грибин В.Г. Апробация расчетно-экспериментальной методики определения дисперсного состава жидкой фазы в полидисперсном двухфазном потоке // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 19 международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. международной конф. Москва. 2013. Том 4. С. 200.

7. Тищенко В.А., Грибин В.Г. Исследование динамики движения жидкой фазы за сопловой турбинной решеткой // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 18 международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. международной конф. Москва. 2012. Том 4. С. 253 - 254.

8. Тищенко В.А., Грибин В.Г., Тищенко А.А. Исследование взаимодействия жидкой фазы со скачками конденсации и уплотнения во влажнопаровых потоках // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: 17 международная науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. международной конф. Москва. 2011. Том 3. С. 253 -254.

9. Экспериментальное исследование течения полидисперсного влажнопарового потока за сопловой решеткой турбины / В.А. Тищенко [и др.] // III конференция молодых специалистов инженерно-технических служб ОАО «Силовые машины»: Тез. докл. конф. Санкт-Петербург. 2012. С. 28 — 29.

10. Experimental studies of wet-steam polydisperse flows in turbine blade cascades / V. Tishchenko // Baumann Centenary Conference: Тез. докл. международной конф. Cambridge. 2012. 1 CD.

11. Technique development of application of laser diagnostics to investigate the characteristic of moist-steam polydisperse flows / V. Tishchenko [и др.] // 9th conference on Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow: Тез. докл. международной конф. Pilsen. 2010. С. 23-27.

Подписано в печать 15.04.2014г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №20319 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ВЛАЖНО ПАРОВОГО ПОТОКА В ЭЛЕМЕНТАХ ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ТУРБОМАШИН

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

«МЭИ»

04201458372

На правах рукописи

Тищенко Виктор Александрович

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Грибин В.Г.

Москва 2014

Содержание Стр.

Введение...............................................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературных данных...............................................................................7

1.1. Характер распределения крупнодисперсной влаги в последних

ступенях турбин...................................................................................................................9

1.2. Краткий обзор экспериментальных методов определения характеристик жидкой фазы.......................................................................................................................17

1.2.1. Определение размеров капель..........................................................................17

1.2.2. Определение скоростей капель........................................................................21

1.3. Структура капельной среды за сопловыми решетками турбины..........................23

1.3.1. Области проявления эрозионно-опасной влаги за сопловой решеткой......23

1.3.2. Влияние режимных параметров на характеристики жидкой фазы за сопловой решеткой турбины......................................................................................28

1.3.3. Характер течения водяной пленки на поверхностях лопатки......................32

1.3.4. Срыв водяной пленки с выходной кромки лопатки......................................37

1.4. Механика движения крупнодисперсной влаги в проточных частях

турбомашин........................................................................................................................43

1.4.1. Силы, действующие на частицу в потоке газа...............................................43

1.4.2. Моделирование течения влажного пара.........................................................45

1.4.3. Движение крупнодисперсных частиц в межлопаточном сопловом

канале............................................................................................................................50

1.5. Современные методы исследования скоростных характеристик потока.............55

1.6. Постановка задачи на исследование.........................................................................59

Глава 2. Экспериментальный стенд, модели и методика исследований.....................62

2.1. Методика экспериментальных исследований..........................................................62

2.1.1. Тепловая схема экспериментальной установки.............................................62

2.1.2. Система пневмометрических измерений ИВК М1С-300М...........................64

2.1.3. Прибор теневой автоколлимационный ИАБ-451...........................................67

2.1.4. Система лазерной диагностики потоков «Полис».........................................69

2.1.5. Измерение размеров капель с помощью метода инерционного осаждения.....................................................................................................................73

2.1.6. Рабочая часть и исследуемые объекты...........................................................74

2.1.7. Методика измерения параметров течения влажно парового потока.... .......91

2.2. Методика расчетных исследований..........................................................................93

2.2.1. Математическая модель расчета......................................................................93

Стр.

2.2.2. Расчетные схемы исследуемых объектов.......................................................95

2.2.3. Порядок проведения численного моделирования........................................100

Глава 3. Разработка методики бесконтактного определения средних

размеров крупной влаги..................................................................................................102

3.1. Уравнение движения капли в потоке......................................................................103

3.2. Алгоритм определения средних размеров капель вдоль траекторий..................106

3.3. Разработка методов пост обработки мгновенных полей скоростей в

условиях двухфазного потока........................................................................................109

3.4. Расчет траекторий капель по осредненным векторным полям............................114

3.5. Модификация математической модели расчета влажнопарового потока

в CFD коде Ansys Fluent..................................................................................................116

3.5.1. Модель турбулентности..................................................................................117

3.5.2. Свойства воды и водяного пара.....................................................................121

3.6. Верификация CFD кода Ansys Fluent.....................................................................127

3.6.1. Течение перегретого пара в сопле Лаваля....................................................128

3.6.2. Течение влажно парового потока в изолированной сопловой решетке.... 132

3.7. Апробация методики бесконтактного определения средних размеров капель . 139

Глава 4. Влияние режимных параметров на характеристики жидкой фазы за сопловой решеткой..........................................................................................................145

4.1. Особенности распределения капельных потоков за сопловой решеткой...........146

4.2. Характеристики крупнодисперсной влаги за сопловой решеткой......................156

4.3. Влияние р на характеристики капель за сопловой решеткой..............................182

4.4. Обобщенные характеристики крупнодисперсной влаги за сопловой

решеткой...........................................................................................................................192

Выводы по работе............................................................................................................195

Список используемой литературы.................................................................................199

Введение

На данный момент энергетика является основополагающим базисом для развития всех областей жизнедеятельности человеческой цивилизации. Основная часть выработки электроэнергии в мире приходится на тепловую и атомную энергетику. Несмотря на громадный опыт, накопленный за более чем столетнюю историю эксплуатации электростанций, на данный момент остается острая необходимость в повышении эффективности и надежности основного оборудования ТЭС и АЭС.

Одним из элементов тепловой схемы электростанции, в котором существует высокий задел для совершенствования, является паровая турбина и в особенности последние ступени ЦНД. При этом характер течения среды в этом участке проточной части турбины до конца не изучен ввиду сложности протекающих газодинамических процессов. В первую очередь это связано с наличием дискретной среды в потоке влажного пара, что приводит к интенсификации большого количества процессов термодинамического и механического взаимодействия. О них на данный момент имеются довольно подробные фундаментальные представления, однако их прикладное применение к конкретным инженерным задачам порой оказывается невозможным. Таким образом, подробная картина течения трехмерного двухфазного потока в последних ступенях до сих пор не построена.

Основной целью повышения экономичности и надежности паровых турбин является минимизация негативных эффектов, проявляющихся при течении многофазной среды - безвозвратные потери кинетической энергии, а также эрозионные процессы разрушения рабочих лопаток. Для решения этих непростых задач был проведен ряд мероприятий (сепарация влаги из проточной части турбины, использование новейших материалов и наплавок и так далее), которые позволили существенно повысить характеристики турбоагрегатов. Не смотря на это, исследования в области влажнопаровых потоков и попытки доработки конструктивных особенностей последних ступеней продолжаются и по сей день.

Полученные за последние сто лет результаты экспериментального исследования влажнопаровых потоков служат надежным источником при проектировании современных паротурбинных установок. Однако время не стоит на месте, и постоянно растущая потребность в производстве дешевой электроэнергии ставит перед инженерами новые задачи в совершенствовании конструктивных особенностей машин. Это стимулирует к дальнейшему развитию экспериментальных исследований в рассматриваемой проблемной области. При этом активное развитие экспериментальных методов исследования (системы лазерной диагностики, пневмометрических и оптических измерений), а также бурное совершенствование численного решения задач механики сплошных сред (совместно с ростом вычислительных возможностей компьютеров и кластеров) создают благоприятные предпосылки для более детального изучения особенностей течения двухфазной конденсирующейся среды. Кроме того, появляется возможность для построения работоспособных математических моделей описания процессов, протекающих при взаимодействии дискретной среды с основным потоком.

В данной диссертации представлено расчетно-экспериментальное исследование движения влажнопарового потока за плоской изолированной сопловой решеткой. Работа с применением современных методов изучения двухфазных сред (как экспериментальных, так и численных) проводилась в лаборатории оптико-физических исследований (ЛОФИ) кафедры ПГТ НИУ МЭИ под руководством профессора, доктора технических наук Грибина В.Г. Эта лаборатория была одним из наиболее значимых центров по исследованию влажнопаровых потоков в период 60- 80Ь1Х годов прошлого века. Здесь было решено большое количество прикладных и фундаментальных проблем, связанных с течением двухфазных сред в элементов проточных частей турбомашин. В 2007 году при непосредственном участии автора, эта лаборатория подверглась глубокой модернизацией, включавшей себя замену всей арматуры и штатных систем измерения. На данный момент ЛОФИ, оборудованная по последнему

слову техники, способна решать широкий круг задач, связанных с течением двухфазных сред в проточных частях турбомашин.

В настоящей работе разработана экспериментально-расчетная методика определения средних размеров капель, а также рассматривается характер движения крупнодисперсной влаги за сопловой решеткой.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, всему коллективу ЛОФИ и своей семье. Отдельную признательность хотелось бы выразить Гаврилову И.Ю. за длительную и плодотворную совместную научную деятельность и дружбу. Также автор хотел бы отметить важный вклад в результаты своей работы со стороны механиков ЛОФИ - Маликова Е.И и Третьякова В.И.

Глава 1. Обзор литературных данных

С момента появления первых конденсационных паровых турбин вот уже на протяжении более ста лет проводятся экспериментальные исследования течения влажного пара в их проточных частях. При этом далеко не все важные проблемы решены к настоящему времени с необходимой полнотой. Поэтому наряду с изучением конкретных инженерных вопросов при проектировании современных экономичных последних ступеней паровых турбин, необходимо продолжение фундаментальных расчетно-экспериментальных исследований для выявления особенностей движения дискретной фазы в спутном потоке пара, а также изучения процессов, проявляющихся при течении двухфазной среды.

В целом, наличие в потоке дискретной фазы или условий для ее возникновения приводят к интенсификации следующих процессов [22]:

• Неравновесность процесса расширения в решетках ступени.

• Появление скачков конденсации при сверхзвуковых скоростях.

• Скольжение, взаимодействие с пленками, дробление и коагуляция капель в ступени.

• Увеличение интенсивности трения в пространственных пограничных слоях на поверхности лопаток вследствие присутствия пленок.

• Торможение капельным потоком рабочей решетки.

• Специфическая конденсационная нестационарность.

• Нарушение расчетного (оптимального) обтекания профилей решеток.

• Отклонение параметров в зазорах от расчетных значений.

• Увеличение выходных потерь.

• Эрозионные и коррозионные повреждения сопловых и рабочих лопаток.

Присутствующие в канале частицы дискретной фазы характеризуются в первую очередь дисперсным составом, который определяет основные параметры влаги в потоке. Условно их можно разделить на крупнодисперсные и мелкодисперсные [80]:

• Мелкодисперсная влага - характерный размер соответствует величине ёк < 2 мкм. Частицы, движутся вдоль линий тока паровой фазы.

• Крупнодисперсная влага - с1к > 2 мкм. Частицы движутся с существенным скольжением по отношению к паровой фазе.

Необходимо отметить, что данная градация является условной, так в работе [46] крупными каплями являются те, размеры которых больше 4 мкм, в работе [38] - 10 мкм, а в [86] - 5 мкм. Как показано в [43] критерий разделения капель на крупные и мелкие в полной мере определяется геометрией канала и режимом течения. При этом автор [22] считает, что более правильно вообще отказаться от такой градации, так как совершенно очевидно, что капли размером 5-30 мкм имеют иные гидродинамические характеристики и оказывают иное влияние на несущую фазу, чем капли 0,1-1 и 100-300 мкм. Тем не менее, крупнодисперсная влага является основным источником эрозионного износа поверхностей рабочих лопаток цилиндров низкого давления паровых турбин [70]. В качестве примера, на Рисунке 1.1 представлены фотографии поврежденных рабочих лопаток вследствие воздействия на них крупных капель [136].

Рисунок 1.1.

Эрозионный износ рабочих лопаток последней ступени

Актуальность проблемы эрозионного износа рабочих лопаток на данный момент стоит довольно остро. Это вызвано необходимостью проектирования высокоэкономичных паровых турбин с повышенной площадью выхлопа и как следствие большой окружной скоростью. Обобщенные данные о характере эрозионного повреждения лопаток, представленные в [58], указывают на то, что

увеличение скорости соударения (вследствие увеличения окружной скорости) и рост размеров капель, попадающих на поверхность рабочих лопаток турбины, существенно интенсифицируют процессы износа материала. Например, при окружной скорости порядка 400 м/с предельное значение влажности перед рабочей решеткой последней ступени не должно превышать 10%, а при 500 м/с -4% [76] При этом авторы отмечают на недостаточную изученность характеристик жидкой фазы в межлопаточном зазоре.

1.1. Характер распределения крупнодисперсной влаги в последних ступенях турбин

Дискретная фаза в последних ступенях паровых турбин распределена довольно неравномерно [69, 30, 35, 44, 46, 48]. Экспериментальные исследования, проведенные на модельных и натурных турбинах, показывают, что наибольшая массовая составляющая влаги сконцентрирована у периферии. На Рисунке 1.2 представлено распределение относительной степени влажности по высоте за рабочей решеткой ступеней большой верности по данным различных организаций, обобщенных в работе [109]. На основе представленных данных можно сделать вывод, что существенное влияние влажности на характер течения двухфазной среды будет проявляться именно в периферийных сечениях ступени. Распределение абсолютного значения влажности по высоте, измеренное перед последней ступенью экспериментальной паровой турбины [125], подтверждает данный вывод (см. Рисунок 1.3). При этом помимо характера распределения массовой составляющей в турбине важно знать дисперсный состав влаги. Это в первую очередь необходимо для предсказания местоположения зон эрозионного износа. Существует большое количество исследований, проведенных в этой области [136, 125, 80]. Из них следует, что капли, движущиеся в проточной части турбины имеют преимущественно малые размеры.

3 У ¿/у

Рисунок 1.2.

Распределение относительной степени влажности по высоте за рабочей решеткой ступеней большой верности по данным различных организаций. 1 - опыты ЦКТИ,

2 - ХТГЗ, 3 - МЭИ, 4 - Паметрада

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,

Рисунок 1.3.

Распределение влажности перед последней ступенью

турбины по высоте

Данные экспериментальные результаты подтверждаются работами по выявлению крупной влаги в последних ступенях паровой турбины мощностью 500 МВт и экспериментальной машине [112, 46]. Масса крупных капель в этих исследованиях определялась зондом-ловушкой, аналогичным зонду отпечатков, и зондом инерционного осаждения. В данных исследованиях массовая составляющая крупных капель в потоке оказалась в диапазоне 5-8% процентов от общей массовой составляющей жидкой фазы. Кроме того порядка 40% всей влаги перед последней ступенью сконцентрировано в периферийных сечениях. Подробный анализ дисперсного состава крупных капель в турбине выполнен в работе [136] с помощью специально разработанного оптического зонда по измерению размеров частиц дискретной фазы в точке на турбине с номинальной мощностью 350 МВт. На Рисунке 1.4 представлены распределения влажности мелкодисперсных и крупнодисперсных капель при различных режимах работы машины. Как видно из Рисунка, при работе турбины на номинальном режиме (350 МВт) в области периферийных сечений массовая составляющая крупных капель оказалась выше, чем мелкодисперсной влаги.

В той же работе рассматривается распределение размеров крупных частиц на различных высотах лопатки (см. Рисунок 1.5). Как видно из представленных данных, в области периферии лопатки дисперсный состав капель больших размеров заполняется наиболее полно в широком диапазоне диаметров