Введение к работе
Актуальность проблемы.
Интенсификация рабочих процессов и жесткие требования к надежности
и ресурсу энергетического оборудования повьппают необходимость учета
изменения функциональных и механических свойств элементов, подвергаю
щихся воздействию высокоскоростных гетерогенных сред. Твердые или
жидкие частицы вещества, взвешенные в газовом потоке, оказывают сущест
венное влияние на эксплуатационные характеристики технологических ли-
» ний, вентиляции, пневмотранспорта, геотермальных турбоустановок и др.
Несмотря на значительные достижения в области подготовки рабочего
тела для судовых паровых и газовых турбоагрегатов, исключить содержание
k в нем примесей, которые, как правило, находятся в мелкодисперсном виде,
не удается. Поэтому при эксплуатации турбин и компрессоров появляются проблемы, связанные с заносом проточных частей паровых турбин, газотурбинных двигателей, турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания (ТК ДВС).
Для турбинных ступеней судовых утилизационных турбогенераторов (УТГ) и ядерных энергетических установок (СЯЭУ), работающих на влажном паре, актуальными являются вопросы образования эрозионно-опасной крупнодисперсной влаги.
В процессе расширения пара в турбинах в зоне фазовых переходов возникает мелкодисперсная жидкая фаза, содержащая высококонцентрированные химически агрессивные компоненты. Взаимодействие мелких капель с поверхностями проточной части приводит к образованию тонких пленок, которые могут вызвать в первых ступенях коррозионное растрескивание под напряжением лопаток и дисков.
Пленочные течения являются источниками крупнодисперсной влаги, ко
торая вызывает каплеударную эрозию рабочих лопаток, и тем самым снижает
, надежность и экономичность последних ступеней паровых турбин
Поскольку указанные проблемы приводят к снижению надежности и экономичности судовых турбомашин, необходимо создание математических моделей, позволяющих прогнозировать интенсивность осаждения мелкодисперсных примесей на поверхности проточных частей элементов судовых турбомашин, вспомогательного энергетического оборудования и систем. В рамках данной диссертации проведены комплексные исследования физических процессов и закономерностей движения мелкодисперсных систем в проточных частях судового энергетического оборудования и трубопроводах.
Цель работы - разработка теории, физической и математической моделей процессов осаждения мелких частиц дисперсной фазы из многокомпонентного потока рабочего тела в проточных частях судовых турбомашин и других элементов судового энергетического оборудования.
JU НАЦИОНАЛЬНА»
. 6ИБЛИ0ТЕКА о
Научная новизна работы
-
Разработана феноменологическая теория миграции, осаждения и образования отложений агрессивных примесей в лопаточных аппаратах судовых турбомашин.
-
Выделена зона критической точки на профиле турбинной лопатки, как объект изучения турбулентно-диффузионного осаждения примесей на входных кромках лопаточных аппаратов судовых турбин.
-
Предложена математическая модель для определения положения границы устойчивости ламинарного пограничного слоя в решетках судовых турбомашин с учетом влияния внешней турбулентности и градиентов давления в потоке рабочего тела.
-
Рассмотрено влияние геометрических и режимных параметров на турбулентную диффузию в переходной области пограничного слоя на лопатках судовых турбин и компрессоров, предложен простой и доступный способ расчета коэффициента осаждения примесей в этой зоне.
-
Показано, что степень увлечения мелкодисперсных частиц неравномерна в сдвиговом поле скоростей турбулентного пограничного слоя на поверхностях проточных частей судовых турбомашин, трубопроводов, вспомогательного судового оборудования и существенным образом зависит от энергетического спектра турбулентности в пространстве волновых чисел.
-
Предложены эмпирические зависимости профилей распределения поперечной составляющей пульсационной скорости среды и концентрации дисперсной фазы в плоском пограничном слое, с помощью которых получены удовлетворительные расчетные параметры для условий выполненных ранее экспериментальных исследований осаждения в трубах, каналах и турбинных решетках судовых энергетических установок.
-
Показано, что шероховатость ограничивающих течение рабочего тела поверхностей судового энергетического оборудования, развивающаяся по мере образования отложений, турбулентная диффузия и миграционно-диффузионное выпадение осадка являются одной взаимосвязанной системой, в которой параметры шероховатости играют значительную роль в интенсивности заносов проходных сечений судовых энергетических аппаратов.
-
Показано влияние давления пара на интенсивность формирования отложений в проточной части судовой турбины.
-
На двухвальной экспериментальной турбине проведены детальные исследования сепарирующей способности и энергетических характеристик турбинной ступени средней веерности в широком диапазоне изменения режимных параметров и структуры влажного пара, в том числе при естественном образовании влаги в зоне фазовых переходов.
-
Получены экспериментальные характеристики турбинной ступени с внутриканальной сепарацией влаги на рабочих лопатках.
11. Создано и исследовано несколько типов механических коагуляторов,
предназначенных для повышения эффективности удаления примесей из по-
токов теплоносителя, содержащего тонкодисперсные аэрозоли, в элементах судового энергетического оборудования.
-
Проведены экспериментальные исследования турбинных ступеней совместно с коагуляторами.
-
Создан испытательный стенд для проведения научных исследований коррозионно-эрозионной стойкости конструкционных материалов и образования на них отложений агрессивных примесей. Получены экспериментальные зависимости интенсивности роста отложений на опытных образцах от марки металла и времени экспозиции в условиях имитации реального рабо-
чего тела геотермальным теплоносителем.
14. На основе разработанной математической модели выполнен анализ
процессов осаждения дисперсной фазы в активной зоне прямоточного реак-
» тора судовой ядерной энергетической установки нового поколения с учетом
электрокинетических эффектов, радиометрических и центробежных сил, турбулентной и молекулярной диффузии.
15. Построена математическая модель, дающая возможность оптимизиро
вать периодичность промывок и дисперсный состав получаемого форсуноч
ным распылением влажного пара для промывки судовой турбомашины под
нагрузкой.
Практическая значимость работы
Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований процессов осаждения и сепарации мелкодисперсной влаги в турбинных ступенях дают возможность более обоснованно подходить к вопросам организации систем влагоудаления в судовых турбоустановках влажного пара.
Разработанная методика прогнозирования заноса проточной части судовой турбомашины является основой для оптимизации геометрических и кинематических характеристик систем промывки судовых турбин и компрессоров при их проектировании и техническом использовании. Существенное упрощение определения периодичности включения промывочной схемы позво-
ляет легко автоматизировать процесс очистки турбоагрегата в эксплуатаци
онный период.
- Применение предлагаемых методов повышения эффективности очистки
, пара от посторонних примесей позволяет повысить экономичность и надеж
ность турбин, компрессоров и других элементов судового энергетического
оборудования, работающих на влажном паре с многокомпонентными приме
сями химически агрессивных веществ.
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций Достоверность результатов подтверждается экспериментальной проверкой теоретических разработок и результатами практического использования научно-технических решений. Проведенная оценка погрешностей измерений и принятая методика экспериментальных исследований, тщательная тарировка измерительных средств дают основание утверждать о достоверности проведенных опытов. Достоверность научных положений, выводов и рекомен-
даций диссертационной работы базируется на адекватности теоретических и экспериментальных исследований, на использовании апробированных классических методов механики сплошных сред, математической статистики, анализа размерностей и планирования эксперимента. Основные результаты, выносимые на защиту
1. Научно-технические решения по определению основных технологиче
ских параметров защиты судового энергетического оборудования от вредно
го влияния тонкодисперсных твердых или жидких частиц примесей много
компонентного рабочего тела, в том числе:
физико-математическая модель осаждения тонкодисперсной фазы на ограничивающие поверхности из турбулентного потока многокомпонентного рабочего тела в турбинах, компрессорах и других элементах судовой энергетической установки;
результаты лабораторных и производственных исследований при разработке и выборе оптимальных параметров очистки от отложений проточных частей судовых турбомашин, аппаратов и трубопроводов;
теоретические принципы проектирования механических устройств эффективного удаления примесей из аэродисперсных потоков на основе интенсификации турбулентного осаждения частиц на стенках каналов.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния режимных параметров и дисперсности жидкой фазы на сепарирующую способность турбинных ступеней.
-
Результаты экспериментальных исследований повышения эффективности сепарации в турбинных ступенях с помощью механических коагуляторов.
-
Работоспособность предложенной физической модели массопереноса для расчетов осаждения мелкодисперсных частиц в турбулентном пограничном слое лопаточных аппаратов турбомашин, в зернистых слоях из сферических микротвэлов судовых ядерных реакторов перспективного типа, в трубах и каналах при любых геометрических и режимных характеристиках основного потока.
-
Результаты экспериментального исследования структуры и химического состава отложений на коротких пластинах в зависимости от марки материала пластин, вида теплоносителя, геометрических и режимных параметров потока в рабочих камерах.
Личный вклад автора заключается:
в постановке задач и разработке методологии решения проблемы;
в организации, планировании и проведении экспериментальных исследований на стендах и натурных энергетических объектах;
в обработке, анализе и обобщении данных экспериментальных и натурных исследований, формулировке закономерностей массобмена в пограничном слое на лопаточных аппаратах турбомашин;
в разработке и обосновании физико-математических моделей процессов осаждения мелкодисперсных примесей в элементах энергетических установок;
в постановке, непосредственном участии и анализе результатов лабораторных исследований образования отложений на конструкционных материалах.
Публикации я апробация работы
Диссертационная работа обобщает научные исследования автора за период с 1978 по 2004 г. Основные результаты диссертации были представлены на международных и российских конференциях и отражены в авторском свидетельстве на изобретение и в 35 публикациях.
