Содержание к диссертации
Введение
Раздел I. Обзор литературных данных и постановка задачи исследования 9
1.1. Конденсационная нестационарность в слабо расширяющихся соплах Лаваля 9
1.2. Нестационарное течение в сопловых решетках при нерасчетных режимах 18
1.3. Цульсационные характеристики при воздействии на поток внешних источников возмущении 22
1.4. Краткие выводы по обзору и постановка задачи исследования 2S
Раздел II. Методика исследовании и штатная система из мерений
2.1. Тепловая схема стенда и штатная система измерении , 28
2.2. Рабочая часть стенда и исследуемые модели 32
2.3. Зонды для измерения пульсаций полного и статического давлений и их тарировка . 39
2.4. Оптические методы исследования паровых потоков S3
Раздел III. Исследование конденсационной нестационарности в одиночных соплах с малой скоростью расширения 58
3.1. Некоторые характеристики сопл Лаваля с прямым срезом на режимах с конденсационной не стационарностью S8
3.2. Пульсационные режимы и резонансные явления при спонтанной конденсации в сопле Лаваля с прямым срезом 68
3.3. Некоторые результаты исследования пограничного слоя в сопле Лаваля при переменных режимах
3.4. Течение перегретого и насыщенного пара в сопле Лаваля с косым срезом
3.5. Истечение перегретого и насыщенного пара из суживающегося сопла с косым срезом . 122
3.6. Некоторые обобщенные характеристики одиночных сопл W
Раздел ІV. Движение конденсирующегося пара в сопловых решетках турбин 161
4.1. Спектры течения конденсирующегося пара в решетках с суживающимися каналами . 151
4.2. Пульсационные характеристики потока пара в косом срезе сопловых решеток с суживающимися каналами 16 7
4.3. Движение насыщенного пара в сверхзвуковой решетке (с расширяющимися межлопаточными каналами) 1&&
4.4. Сопоставление пульсационных характеристик и резонансные явления в сопловых решетках 199
Раздел V. Расчетные исследования конденсационной не стационарности в соплах и решетках турбин и сопоставление с результатами эксперимента 219
5.1. Общие замечания и основные уравнения .
5.2. Результаты расчета спонтанно конденсирующегося потока пара в одиночных соплах Лаваля и сопоставление с экспериментальными данными
5.3. Результаты расчета сопловых решеток и сопоставление с данными эксперимента
ВЫВОДЫ и заключение 223
Литература
- Конденсационная нестационарность в слабо расширяющихся соплах Лаваля
- Тепловая схема стенда и штатная система измерении
- Некоторые характеристики сопл Лаваля с прямым срезом на режимах с конденсационной не стационарностью
- Спектры течения конденсирующегося пара в решетках с суживающимися каналами .
Конденсационная нестационарность в слабо расширяющихся соплах Лаваля
С ростом единичных мощностей энергетических установок, и в частности, турбин влажного пара, наряду с экономичностью чрезвычайно актуальными становятся проблемы надежности и долговечности работы этих устройств. В связи с этим очевидна актуальность проблемы исследования различного рода нестационарных процессов, обусловленных также и спецификой неравновесных двухфазных течений.
Применительно к задачам, связанным с турбинами влажного пара, одной из важных проблем газодинамики двухфазных сред является вопрос о возникновении жидкой фазы и физических особенностях движения системы пар-капли. Исследования в этой областиГ /- ІЧІ позволили установить наличие существенной неравновесности процесса расширения конденсирующихся сред в двухфазной области. Однако, завершение этого процесса, т.е. переход из неравновесного состояния в равновесное с образованием дискретной фазы, происходит различным образом в зависимости от режимов течения, начальных параметров и теплофизи-ческих свойств веществ. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования показывают, что причинами дополнительных потерь кинетической энергии в двухфазных потоках являются [d2l : 1)неравно-весность процесса расширения в решетках ступени; 2)появление скачков конденсации при сверхзвуковых скоростях; 3)скольжение, взаимодействие с пленками, дробление и коагуляция капель в ступени; увеличение интенсивности трения в пространственных пограничных слоях на поверхности лопаток, особенно значительное при наличии пленок; 5)торможение капельным потоком рабочей решетки; 6)специфическая конденсационная нестационарность; 7)увеличение утечек через над-бандажные, диафрагменные и концевые уплотнения; 8)нарушение расчетного (оптимального) обтекания профилей решеток; отклонение параметров в зазорах от расчетных значений; 9)увеличение выходных потерь; 10)эрозионные и коррозионные повреждения сопловых и рабочих лопаток.
Степень влияния перечисленных факторов оказывается различной в зависимости от параметров пара и структуры потока перед ступенью. Если пар на входе слабо перегретый (или сухой насыщенный), то основное значение имеют пункты 1,2,4 и 6. В работах А Стодола [И , впервые было показано, что при сверхзвуковых скоростях спонтанная конденсация проявляется в специфической форме скачков конденсации, возникающих в расширяющейся части сопл Лаваля. Наиболее интересными в то же время весьма сложными, с точки зрения физического анализа и расчета являются такие особые случаи, когда даже при стационарных граничных условиях течение становится нестационарным вследствие неравновесности процессов между фазами.
Так известно, что расширение насыщенного пара в элементах проточных частей энергетических машин и аппаратов, как правило, происходит неравновесно. Процесс влагообразования сопровождается интенсивным локализованным выделением тепла. Если спонтанное влаго-образование происходит в трансзвуковой области, то это может привести к возникновению нестационарного режима течения. Одним из первых такие явления экспериментально наблюдали Шмидт [ /SJ и БарШ;дорф f/67 , Было обнаружено, что спонтанная конденсация пересыщенного пара может приводить к образованию нестационарных ударных волн. В работе I-/6] получены интерферограммы этих ударных волн и измерены значительные пульсации параметров потока с частотой 0,4 -1,0 кГц, имевших место при расширении в соплах как влажного воздуха, так и чисто конденсирующегося водяного пара. В работе [/71 было показано, что частота колебаний параметров потока может достигать 6 кГц. Приближенные критериальные зависимости, характеризующие частоту пульсаций, полученные на основании теории подобия и размерностей, приведены в работах [17, іЮ . Однако, как показывает анализ f/97 , зависимость полученная авторами [IS] не может быть использована для ИЭУШНИЯ течения чистого конденсирующегося пара. В работе же С1?] не учитывалась зависимость частоты от одного из наиболее важных параметров - геометрических характеристик проточной части. Определение границ области устойчивого течения производилось в работах [17, Щ 2Л в зависимости от начальных параметров на входе в сопла. Некоторые результаты исследования нестационар-ной конденсации" вУрешетках профилей приведены ъ [22-26].
Широкие экспериментальные исследования с целью определения основных закономерностей и амплитудно-частотных характеристик таких нестационарных потоков конденсирующегося и влажного пара были проведены в МЭИ, некоторые результаты представлены ъ[7,19,27-31] где отмечено, что при определенных условиях скачки конденсации могут совершать периодически нестационарное движение в сопле, что неизбежно приводит к возникновению значительных пульсаций параметров потока. Проведены исследования течений в плоских соплах с различными геометрическими характеристиками (или скоростями расширения р = (Ъ 2 при разных перепадах давления на сопло а = / а/ре ). Физическая природа возникающей нестационарности объясняется следующим образом [ 7, 9, 27]
Тепловая схема стенда и штатная система измерении
При исследовании процессов конденсации в паровых потоках одной из важных является проблема создания на входе в рабочую часть термодинамически равновесной среды с параметрами близкими к состоянию насыщения. Данные экспериментального исследования проводились в паровой аэродинамической трубе замкнутого типа, принципиальная тепловая схема которой изображена на рис. 2.1. Условно схему можно разбить на четыре составные части: 1.Система подготовки термодинамически равновесного водяного пара. 2. Рабочий участок. 3.Система выхлопа. 4.Штатная система измерений параметров среды.
Питание влажнопарового стенда осуществляется паром из отбора турбины ТЭЦ НЭЙ. Параметры в отбора: р і 0,6 МПа и 7» 523 К, из-за значительной удаленности стенда от отбора турбины параметры пара непосредственно перед системой приготовления не превышают р =0,45 МПа и Т = 473 К. Перегретый пар с параметрами р0 =0,45 МПа и Тв = 473 К поступает по подводящему трубопроводу в ресивер, который предназначен для создания на входе в используемые рабочие части (см. рис. 2.1) потока с равномерным полем термодинамических параметров и скоростей.
Снижение температуры пара до требуемой величины производится впрыском питательной воды через форсунки предварительного увлажне-ния, установленные в центре симметрии подводящего паропровода. Регулирование расхода питательной воды игольчатыми вентилями (поз. 9 рис. 2.1) позволяет получить начальную температуру пара в ресивере в диапазоне Т. = 363-473 К. После первой ступени увлажнения пар поступает в коллектор. Из коллектора по двум не связанным друг с другом трубопроводам часть пара (основная) направляется в ресивер I (рис. 2.1), а другая - на питание пародутьевых форсунок второй ступени увлажнения 10. Форсуночный блок второй ступени увлажнения служит для искусственного приготовления двухфазной среды с начальной степенью влажности до 20$. Форсунки расположены в двух ярусах, по 8 форсунок в каждом. Каждая пара форсунок имеет индивидуальное регулирование. Расход питательной воды на форсунки второй ступени увлажнения измеряется с помощью мерной шайбы 8. Подготовленная описанным выше способом рабочая среда поступает в ресивер, который представляет собой цилиндрический сосуд диаметром cL =о,5 м и длиной t =1,2 м. Из-за значительных размеров ресивера, скорость пара в нем близка к нулю (при максимальном расходе пара G =0,42 кг/с скорость пара не превышает 15 м/с). При сталь малых скоростях водяные капли (особенно крупные) оседают под действием гравитационных сил и через дренажную систему, благодаря гидрозатвору (поз. 6 рис.2.1) удаляются из ресивера. После рабочей части (поз. 2 рис. 2.1) пар поступает через выхлопную трубу диаметром 0,3 м в конденсатор 4. По-верхность труб конденсатора S =4 м . Регулирование разрежения в конденсаторе осуществляется запорным вентилем и вакуумным, соединенным с атмосферой. Эта система позволяет плавно регулировать давление на выходе из рабочей части. Конденсат из конденсатора попадает в мерные бачки, а оттуда через вакуумный дренаж с гидрозатвором поступает в бак нижних точек. По увеличению уровня в мерном баке (при закрытом вакуумном дренаже), зная температуру конденсата, можно определить расход пара через исследуемую рабочую часть. Отсос паровоздушной смеси из конденсатора осуществляется паровым трехступенчатым эжектором ЭП-3-200 с помощью которого создается разрежение до А = 0,001 МПа.
При проведении экспериментальных исследований необходимо иметь информацию о параметрах рабочей среды на входе в рабочую часть и на выходе из нее. Предусмотрены измерения давлений с помощью образцовых манометров: І.Пара после первой ступени увлажнения перед входом в коллектор. 2. Питательной воды перед впрыском в первую и вторую ступени увлажнения соответственно. З.Пара на входе в рабочую часть (в ресивере). Температура в ресивере Z измеряется хромель-копелевой термопарой с помощью компенсационного потенциометра КСП-4. Параметры полного торможения непосредственно перед исследуемой моделью контролировались также трубкой Пито и термозондом полного напора, смонтированных на одной державке. Регистратором давления А , служит ртутный дифманометр. Давление пара за рабочей частью (в выхлопном патрубке) измеряется образцовым вакууметром и ртутным дифманометром. Для измерения расхода пара служит установленный на сливе из конденсатора тарировочный мерный бак. Для определения расхода воды в дренажах при работе стенда на влажном паре предусмотрены та-рировочные мерные баки в ресивере и на выхлопе.
Некоторые характеристики сопл Лаваля с прямым срезом на режимах с конденсационной не стационарностью
Выше были представлены основные геометрические характеристики несимметричного сопла Лаваля с небольшой степенью расширения, тече-, ниє в котором изучалось с помощью инерционных и малоинерционных датчиков давления. На рис. 3.1 представлена дополнительно схема испытанного сопла, распределение дренажных отверстий на верхней прямой стенке (инерционный дренаж) и на профилированной нижней стенке (малоинерционный дренаж). Здесь же показано расположение вращающихся стержней за соплом и микрозондов для измерений в пограничном слое. Указаны точки стационарных измерений давления и температуры торможения перед соплом и статического давления за ним.
Рассмотрим вначале распределение давлений вдоль сопла, измеренное обычным дренажем в отсутствии конденсационной не стационарности с начальным перегревом &То = 51С при отношениях давлений Во. =0,283, 0,526, 0,586 и 0,74 (рис. 3.2). На режимах 6 =0,283 и . =0,526 скачок конденсации стационарен и располагается на расстояниях 1 = 1,5-2,0, зависящих от So. . До конденсационного скачка течение сверхзвуковое, причем переход через скорость звука происходит в расширяющейся части сопла. Последнее означает, что эффективное минимальное (критическое) сечение с учетом толщины вытеснения пограничного слоя смещено в расширяющуюся часть сопла. Смещение критического сечения оказывается значительным в соплах с малым раскрытием сверхзвуковой части.
За конденсационным скачком течение сверхзвуковое до выходного сечения, в котором на режимах с повышеиным противодавлением возникает система двух пересекающихся скачков уплотнения ( 6 . - 0,526) или волн разрежения при пониженном противодавлении ( ». = 0,283). На режимах с , 8ііЄ ( , = 0,536 рис. 3.2) в исследуемом сопле имеет место пульсация адиабатических скачков уплотнения (см. 3.4), причем, с повышением противодавления, как показали наблюдения в оптическом поле Теплера (с применением методов лазерной диагностики) скачок конденсации не реализуется и существует только не стационарность адиабатических скачков уплотнения. При So. = 0,74 имеет место дозвуковой режим сопла Лаваля.
Совершенно иное распределение давлений вдоль сопла зафиксировано при различных режимах для сухого насыщенного пара на входе (47 =0). Во всех сечениях расширяющейся части Ій 2,7 относительное давление выше критического ( I 1+ ); только при to. , близком к расчетному ( /р =0,317), вблизи выходного сечения отмечается снижение давления и переход в сверхзвуковую область (рис. 3.3). Как будет показано ниже при всех режимах по «. для f = P»/Ps СЪ) = I ( ро - давление торможения перед соплом, Ps(7 )- давление насыщения, соответствующее температуре торможения на входе), в сопле обнаруживается конденсационная нестационарность, т.е. миграция вдоль сопла конденсационных скачков.
Таким образом, на режимах с конденсационной нестационарностью обычное дренирование инерционными измерителями давлений, как и следовало ожидать, не дает правильной картины распределения давлений вдоль сопла. Измеряемые локальные значения 6 , по-видимому, ближе к относительным давлениям за скачком конденсации при данном его положении в сопле. Вместе с тем, анализируя графики на рис. 3.3 следует учитывать, что скорость миграции конденсационного скачка и его интенсивность зависят от времени, т.е. от его мгновенного положения в сопле. Следовательно, фиксируемые значения отличаются от истинных средних и максимальных значений, причем расхождение между этими величинами различное в разных сечениях сопла.
Отметим, что распределение давлений вдоль сопла на режимах конденсационной нестационарности может служить для доказательства ее существования в сопле Лаваля, а также для оценки протяженности зоны миграции конденсационных скачков.
Следует обратить внимание на тот факт, что характерные режимы сопла Лаваля - предельный ( /т ), с прямым скачком уплотнения в выходном сечении ( 4ll ) и расчетный ( В1Р ), определяемые по ге ометрическому параметру Р = Р А/ или по безразмерной скорости \г= Сіті0 , в случае миграции конденсационных скачков, весьма условны. Значения Sf/» , &tK , S IP характеризуют стационар ное течение в сопле Лаваля. В периодически нестационарном потоке с миграцией конденсационных скачков, а тем более при воздействии внеш него источника периодических возмущений (вращающихся стержней) , , 84 . и 6/р являются периодическими функциями времени и их ос ре дненные значения не совпадают с теоретическими для стационарного потока. Кроме того, мигрирующие конденсационные скачіси, а также вол ны от внешнего источника возмущений, . -- приводят к значительной деформации пограничных слоев. В результате эффектив ные сечения существенно отличаются от геометрических при квазиста ционарном рассмотрении процесса.
Спектры течения конденсирующегося пара в решетках с суживающимися каналами .
Суживающееся сопло выполнено с углом косого среза о/,= 18, причем профиль сопла полностью идентичен суживающейся части двух сопл Лаваля: с прямым и с косым срезами. Припарировка сопла включала дренирование длинной стенки малоинерционными датчиками давления, расположенными также, как и в сопле \Ь 2.
За короткой и за длинной стенками сопла образованы замкнутые зоны отрыва &1 и л , расстояния между которыми существенно увеличены по сравнению с соплом Лаваля с косым срезом (рис. 3.39).
Рассмотрим вначале результаты исследований, проведенных с применением скоростной киносъемки, на различных режимах: сверхзвуковых (с включением косого среза) и дозвуковых. Наиболее существенные, принципиальные отличия обнаружены при сверхкритических режимах, сопровождающихся включением косого среза, т.е. частичным расширени-ем в косом срезе. Вне зависимости от 6а. конденсационные/качки располагаются вблизи выходного сечения суживающегося сопла; миграция конденсационных скачков в косом срезе, где при соответствующих 6а, достигаются сверхзвуковые скорости, отсутствует. Такті образом, конденсационная нестационарность в суживающихся соплах с косым срезом не возникает, что подтверждается прежде всего визуальными экспериментами и наблюдениями.
Вместе с тем, сиорма конденсационного скачка и его положение относительно выходного сечения суживающегося сопла зависят от отношения давлений Ел. ; при фиксированном значении & ( - критическое отношение давлений для переохлажденного потока пара), положение и форма конденсационного скачка изменяются только в связи с влиянием двух факторов: интенсивности центрированной первичной и отраженной волн разрежения, образующихся на выходе из сопла в косом срезе, а таюке амплитудно-частотных характеристик потока на свободной границе. Пульсации здесь создаются вихревой структурой потока в отрывной зоне &J за короткой стенкой суживающегося сопла, а также внешним периодическим источником возмущений (системой вращающихся стержней за соплом). Важную роль играют также пульсации, образующиеся в отрывной зоне & , расположенной за длинной стенкой сопла.
В поле оптического прибора с использованием высокоскоростной кинокамеры была зафиксирована эволюция конденсационных скачков при нескольких значениях &. в отсутствии внешнего источника возмущений на сухом насыщенном паре. Режиму « = 0,258 ( MiT = 1,56) соответствует криволинейный конденсационный скачок (рис. 3.40), опира ющийся на угловую точку /I и на криволинейный участок стенки косого среза (точка & ). Такая форма скачка объясняется различием скоростей расширения, достигающих максимальных значений вблизи по-люса центрированной волны разрежения; минимальные значения р- р Sz отвечают зоне, примыкающей к стенке косого среза. В соответствии с неравномерным распределением значений р по сечению, предельное переохлаждение достигает наибольших значений вблизи угловой точки А , а наименьшее - у стенки косого среза. Следует обратить внимание на отчетливо видимое отклонение свободной границы в зоне , обсуловленное отклонением в косом срезе сопла (рис. 3.40).
Оценка показывает, что на режиме Ел. = 0,258 угол отклонения со ставляет около tPuJ-f" Заметим , что опытное значение о на сухом насыщенном паре не совпадает с расчетным по формуле Бэра С 9ІІ: / = A3 На режиме, весьма близком к критическому ( 0,542,/%г 1,03), конденсационный скачок выпрямляется, однако сохраняет слабую кривизну и разветвляется на границах потока (рис. 3.41); приобретает здесь - - образную форму. Визуальные исследования зафиксировали отрыв пограничного слоя на выходном участке стенки косого среза и пульсирующий адиабатический скачок уплотнения генерируемый вихревыми движениями в зонах отрыва / и «д .
Весьма любопытным является поведение конденсационного скачка на режиме «. = 0,602 ( /Ч1Т 0,91). Вблизи стенки косого среза скачок сохраняет - образную форму (рис. 3.42), а его верхний элемент, примыкающий" к свободной границе струи, пульсирует и периодически исчезает. Такое поведение конденсационного скачка объясняется пульсациями давлений и температур на свободной границе струи, сосдаваемыми вихревыми движениями в отрывной зоне. Очевидно, что при повышении давления и температуры вблизи угловой точки А элемент скачка конденсации выходящий на свободную границу струи практически исчезает, а при снижении р и 7" вновь возникает; элемент конденсационного скачка, опирающийся на стенку косого среза существует непрерывно, так как местные скорости на выпуклом участке стенки - сверхзвуковые.
Таким образом, эта серия опытов позволила выявить новый тип конденсационной нестационарности при околозвуковых скоростях, обусловленной пульсацияг-ли параметров на свободной границе и выражающейся в поперечной миграции конденсационного скачка. Однако продольная миграция скачков конденсации, связанная с противоборствующими воздействиями тепловыделения и геометрического фактора не обнаружена и на таких режимах: в среднем положение конденсационного скачка сохраняется неизменным. Так как в полусвободной струе возмущения распространяются через свободную границу, а скорости за конденсационными скачками, занимающими в среднем фиксированное положение, сверхзвуковые, то в основной струе отсутствуют перемещающиеся против потока скачки уплотнения. Этот факт служит также косвенным доказательством отсутствия миграции конденсационных скачков в суживающихся соплах с косым срезом. Так м образом, следует еще раз подчеркнуть, что конденсационная нестационарность в суживающемся сопле с косым срезом исключена.
