Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние вопроса. Обзор литературных данных и постановка задачи 11
1.1. Особенности течения двухфазной среды в соплах 11
1.2. Теоретические исследования и модели течения вскипающего потока 14
1.3. Результаты экспериментальных исследований 28
1.4. Анализ работ по исследованию двухфазных течений и постановка задачи 48
ГЛАВА II. Экспериментальная установка и методика исследования 51
2.1. Экспериментальный стенд 51
2.2. Установка измерения реактивной тяги сопла 54
2.3. Геометрические характеристики исследуемых сопл 56
2.4. Система измерения параметров рабочего тела 61
2.5. Методика проведения эксперимента и обработки результатов испытаний 64
2.6. Оценка погрешности измеряемых величин 69
ГЛАВА III. Истечение из сопл Лаваля вскипающей жидкости с большим недогревом до температуры насыщения 77
3.1. Распределение давления и режимы течения в соплах Лаваля. 77
3.2. Расходные характеристики и коэффициент расхода 91
3.3. Коэффициент скорости сопла Лаваля 100
3.4. Коэффициент скольжения фаз в выходном сечении сопла 114
3.5. Коэффициенты тяги, потери энергии и КПД сопла 126
ГЛАВА IV. Влияние геометрической формы расширяющейся части на эффективность работы сопл Лаваля 136
4.1. Влияние угла раскрытия 136
4.2. Влияние степени расширения при постоянном угле раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля 139
4.3. Предельный угол раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля 141
Выводы ...144
Литература
- Теоретические исследования и модели течения вскипающего потока
- Установка измерения реактивной тяги сопла
- Расходные характеристики и коэффициент расхода
- Влияние степени расширения при постоянном угле раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля
Введение к работе
В настоящее время нетрадиционные возобновляемые источники энергии, связанные с использованием солнечного излучения, энергии ветра, геотермальной энергии, энергии биомассы, достигли уровня промышленного применения. Масштабы их применения непрерывно и интенсивно возрастают. Главными стимулами развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии являются постепенное истощение традиционных видов топлива и возрастающие экологические требования.
Указанные виды энергии в ближайшем будущем не могут стать существенными заменителями нефти, газа, угля, ядерной энергии, но они могут уже сегодня стать важным дополнительным источником энергии. Необходимо учесть, что значительный рост стоимости органического топлива также заставляет более серьезно подходить к использованию нетрадиционных энергетических ресурсов с целью выработки электрической и тепловой энергии.
Значительные запасы термальных и промышленных вод с температурой 100 4- 150С могут служить для выработки электроэнергии как по одноконтурной тепловой схеме с непосредственным использованием природного пара в конденсационных турбинах, так и по двухконтурной с низкокипящим рабочим телом.
Относительно новый прогрессивный способ выработки электроэнергии при использовании низкопотенциального тепла - это установка в одноконтурную тепловую схему полнопоточной гидропаровой турбины (II И). Такие схемы апробированы на опытных установках: в С-Петербургском государственном техническом университете (С.ПГТУ) [1], в лаборатории бифазных энергетических установок (США, штат Калифорния) [2, 3], на фирме Фудзуки Электрик Корпорейш в Японии [4], в ЗАО «Турбокон» [5].
Экспериментальная гидропаровая турбина С.ПГТУ - одноступенчатая турбина активного типа. Рабочим телом турбины является недогретая на 2-^-5 С до температуры насыщения горячая вода с давлением Р0 = 0,8МПа. Сопла Ла-
8 валя ГПТ выполнены с парогенерирующими решетками, создающими мелкодисперсный поток без заметного механического скольжения между фазами.
Экспериментальная гидропаровая турбина лаборатории бифазных энергетических установок (США) - жидкостная турбина, одноступенчатая, активная, ковшового типа. Турбина состоит из трех основных элементов: двухфазного сопла, ротационного сепаратора и жидкостной турбины. Двухфазное сопло представляет собой сопло Лаваля, в котором давление снижается постепенно за счет изменения сечения сопла. В ротационном сепараторе происходит отделение жидкости от пара. Поток отсепарированного пара отводится в паровую турбину, а отсепарированная жидкость (вода) в "жидкостную" турбину, где происходит преобразование в мощность.
В ЗАО «Турбокон» предложена простая и универсальная модель реактивной турбины типа «сегнерова колеса», работающая на горячей воде. Вода подается в центр рабочего колеса. Далее вода по радиальным каналам, в которых увеличивается давление, поступает к соплам Лаваля. В соплах происходит ускорение воды и ее вскипание. Выходя из сопл, пароводяная смесь создает тягу. Так как в данной конструкции нет традиционного турбинного рабочего колеса с лопаточным аппаратом, то нет потерь энергии в лопаточном аппарате, и нет проблем с эрозионным износом рабочих лопаток. «Сегнерово колесо» обеспечивает максимальную простоту конструкции турбины.
Эффективность работы турбины непосредственно связана с эффективностью ее основного элемента - сопла.
То обстоятельство, что в «сегнеровом колесе» на входе в сопло значительно увеличивается давление рабочей воды, а само сопло участвует в равномерном вращательном движении, ставит много вопросов при проектировании ГПТ данной конструкции. Ранее проведенные исследования истечения из сопл Лаваля жидкости сильно недогретой до температуры насыщения не дают ответов на поставленные вопросы.
Таким образом, актуальность выбранной темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки высокоэффективных
9 сопл Лаваля для 1 ill типа сегнерова колеса, и подтверждается соответствием
разрабатываемой проблемы современной межвузовской научно-технической программе «Энерго- и ресурсо- сберегающие технологии добывающих отраслей промышленности», утвержденной приказом Министерства общего и профессионального образования России от 16 марта 1998г. №717.
Целью диссертационной работы является исследование влияния геометрических и режимных параметров на эффективность работы сопл Лаваля при истечении воды с большим недогревом до температуры насыщения.
Конкретными задачами исследования являлись:
Проведение экспериментального исследования процессов истечения из сопл Лаваля вскипающей жидкости с большим недогревом до температуры насыщения;
Выбор оптимальной геометрии сопла Лаваля для установки в 1111 типа сегнерова колеса.
Научная новизна работы:
Проведены исследования процессов истечения из сопл Лаваля вскипающей жидкости с большим недогревом до температуры насыщения в ранее не исследованном диапазоне параметров, определены коэффициенты скорости и показатели эффективности сопл;
Выявлено влияние геометрических факторов на характеристики сопл (угла раскрытия, степени расширения, формы);
Определено влияние режимных факторов на характеристики сопл (начального давления, температуры, противодавления);
Дано объяснение поведения расходных характеристик и потерь энергии в соплах Лаваля при истечении воды с большим недогревом до температуры насыщения.
Практическая ценность работы:
Получены эмпирические зависимости для расчета давления в горле
сопла Лаваля при истечении воды с большим недогревом до температуры на
сыщения, расчета расхода рабочей воды через сопло, распределения импульсов
10 между жидкой и паровой фазами в выходном сечении сопла;
Создана методика расчета сопл, работающих на вскипающей воде;
Предложены оптимальные формы сопл для различных режимных параметров;
Полученные результаты используются в ЗАО «Турбокон» при выполнении проектных работ по созданию ГПТ мощностью 15 и 300 кВт.
Автор защищает: результаты экспериментальных исследований влияния режимных параметров при истечении вскипающей жидкости на характеристики сопл, на расходные характеристики и соотношение жидкой и паровой фаз в выходном сечении сопла; влияние геометрических факторов расширяющейся части сопл Лаваля на эффективность сопл.
Достоверность полученных данных подтверждается хорошей воспроизводимостью результатов эксперимента. Кроме того, достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается тем, что разброс опытных данных не превышал максимально возможной оценки погрешности эксперимента.
Публикации. По теме диссертационной работы имеется четыре публикации, в том числе в центральной печати. Имеется одно авторское свидетельство.
Апробация работы. Основные материалы докладывались и обсуждались на семинарах КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, КГПУ им. К.Э. Циолковского, НТС ЗАО «Турбокон».
Теоретические исследования и модели течения вскипающего потока
Значительное число практических задач, связанных с процессом истечения испаряющейся жидкости из сопл, до сих пор аналитически не решается с необходимой точностью и полнотой. Введение в уравнения сохранения энергии, импульса и массы дополнительных членов, учитывающих массообмен, тепловое и механическое взаимодействие фаз, существенное усложнение граничных и начальных условий приводят зачастую к непреодолимым аналитическим трудностям и к необходимости поиска приближенных решений.
Рассмотрим некоторые из существующих моделей.
Одной из первых для описания вскипающих потоков была рассмотрена гомогенная равновесная модель. Наиболее детальное исследование гомогенных равновесных потоков проведено в [6]. Надо отметить, что теория, основанная на чисто термодинамических предпосылках, недостаточна для полного описания процесса испарения. Это связано с тем, что в термодинамике фазовых превращений рассматривается не ход этих превращений во времени, а лишь "равновесие" между исходной и новой фазами. Кроме того, предполагается, что поверхность раздела между фазами плоская. При этом под температурой перехода подразумевается температура, при которой обе фазы могут оставаться в равновесии друг с другом долгое время. Однако эта модель не находит широкого применения. Так, в [7] отмечается , что она подтверждается только для случаев истечения с начальной степенью сухости хо 10%, при Ро 15МПа. В [8] отмечается, что модель приемлема для истечения насыщенной жидкости для каналов с любым значением V, лишь при
Ро 18МПа, а при Ро 18МПа существует некоторая величина \jA) , для которой еще имеет место достаточно хорошее согласование теории с экспериментом.
Коллинзом [9] была предпринята попытка вновь привлечь внимание исследователей к теории гомогенного равновесного расширения. Он показал, что производная массовой скорости по давлению терпит разрыв на линии насыщения, и при определенных параметрах потока гомогенная изоэнтропическая разновесная модель может не занижать, а даже завышать значения массовых расходов по сравнению с экспериментальными. Автор рекомендовал применять эту теорию для потоков с начальным недогревом. Экспериментальные данные, приводимые в работе, согласуются с гомогенной теорией тем лучше, чем больше недогревы и выше давления.
Однако из многочисленных опытов хорошо известны случаи, когда фазовый переход наступает при температурах, заметно отличающихся от температуры насыщения. Подобные неравновесные состояния называются метастабильными.
Впервые такие отклонения от равновесного состояния наблюдал А.Стодола при исследовании потоков пара, выходящих из хорошо спрофилированных сопл. В своих классических экспериментах методом рассеяния света А.Стодола показал, что внутри сопла с прозрачными стенками при работе на насыщенном или перегретом паре наблюдается заметное переохлаждение пара перед возникновением конденсата. Это касается не только процессов конденсации» но и всех быстротекущих процессов, связанных с фазовыми превращениями, когда скорость изменения параметров в потоке превосходит скорость образования ядер испарения (пузырьков пара) в самоиспаряющейся жидкости или ядер конденсации при расширении влажного пара.
Большинство исследователей пришло к выводу о присутствии в потоке метастабильной жидкости. В связи с этим были сделаны попытки видоизменить гомогенную равновесную модель в метастабильную. Так, одна из метастабильньгх моделей предполагает, что одна фаза равномерно распределена в другой, а между фазами нет тепло- и массообмена. Тогда паровую фазу можно рассматривать независимо от жидкостной. Эта модель была названа "замороженной". Однако и эта модель не дает полного согласования с экспериментом.
В работе [10] была предложена двухступенчатая модель. Вначале поток изоэнтропийно расширяется до метастабильного состояния, а затем начинается спонтанное парообразование. Причем делается допущение, что для воды с содержанием примесей известен предел метастабильности и, по достижении этого предела мгновенно образуется двухфазная смесь. За границей метастабильного потока процесс описывается изоэнтропийной гомогенной равновесной или "замороженной " моделями. Однако, как отмечают сами авторы [10], в модели отсутствуют способы определения диаметра зародышей паровых пузырьков, от которых зависит координата фронта вскипания. Поэтому такая модель является не столько методом расчета, сколько иллюстрацией возможного подхода к решению задач по истечению вскипающих потоков.
Установка измерения реактивной тяги сопла
Для измерения величины реактивной тяги сопла, возникающей лри истечении из него вскипающей воды, была спроектирована и изготовлена установка, представленная на рис. 2.3.
Внутри неподвижного корпуса поз. 1 на шарикоподшипниках закреплен пустотелый вал поз. 21. Один конец этого вала с небольшим зазором проходит через втулку поз. 15 внутрь вакуумной полости установки, соединенной с паровым пространством конденсатора. Корпус поз. 1 выставляется так, чтобы вал не имел механического контакта со втулкой поз. 15, приваренной к вакуумной полости. Зазор между валом и втулкой уплотняется асбестовой ниткой. Внутри вакуумной полости вал поз. 21 соединяется с деталью поз. 5, в которую вварена труба поз. 2. К другому концу трубы приварен корпус поз. 16, в который вворачивается исследуемое сопло поз. 48. На другом конце вала поз. 21 закреплен корпус поз. 30, к которому подводится горячая вода по гибким металлорукавам поз. 26. К этому же корпусу жестко прикреплен рычаг поз. 27. Свободный конец рычага шарнирно соединен с динамометром поз. 43. Так как динамометр работает на растяжение, измерение реактивной тяги сопла возможно только в том случае, если результирующее усилие на свободном конце рычага поз. 27 всегда направлено вниз. Для обеспечения этого условия на деталь поз. 16, в которой крепятся исследуемые сопла, установлен груз поз. 37. Если в процессе исследования сопла показания динамометра уменьшились до нуля, на свободный конец рычага подвешивается дополнительный груз. Как видно из вышеприведенного описания в установке отсутствуют силы трения скольжения, а силы трения качения в шарикоподшипниках невелики. Для того чтобы трубопроводы, подводящие воду к соплу, не снижали точность и не искажали результаты измерения тяги, металлорукава поз. 26 располагаются на одной горизонтальной прямой, и длина их выбрана достаточно большой (каждый длиной 1,5м). Кроме того, все измерения производятся при одном и том же положении рычага поз. 27. Для контроля на рычаге закреплена стрелка, а на неподвижной части установки закреплена шкала. Для приведения рычага в одно и то же положение точка подвески динамометра может изменяться с помощью резьбовой тяги поз. 40 и гайки поз. 41. Испытания показали высокую чувствительность установки для измерения тяги сопл. Опыты с измерением тяги неоднократно повторялись, при этом воспроизводимость получаемых результатов была чрезвычайно высокой.
Первоначально было изготовлено два образца сопла №1. Один образец выполнен для исследования распределения давлений, второй для определения газодинамических характеристик. На фотографии рис. 2.4. показан образец для исследования распределения давлений по длине проточной части сопла №1. Здесь имеется 11 дренажных отверстий для отборов давлений. Первое отвер стие располагается на выходе из цилиндрического горла сопла, последнее отверстие на расстоянии 2мм от выходного сечения сопла. Дренажные отверстия медными трубками диаметром Змм соединяются со штуцерами на стенке вакуумной полости.
Входная сужающаяся часть сопла представляет собой конус с углом при вершине 60. Горло сопла цилиндрическое, диаметр 5мм, длина 8мм. Расширяющаяся часть сопла образована двумя коническими поверхностями. Горло сопла переходит в конус с углом при вершине 2840 , который далее переходит в конус с углом при вершине 20. Общая степень расширения сопла 179,6. Проточная часть сопла №1 представлена на рис. 2.5. Исследования распределения давлений в сопле №1 показали, что вскипание воды в струе, выходящей из горла, происходит в расширяющейся части сопла.
Расходные характеристики и коэффициент расхода
В некоторых работах [54] GT определяется как расход некипящей воды с учетом измеренного на холодной воде коэффициента расхода дг для заданного перепада давлений, т.е. м= - (3.14) МгОг В работах Д. А. Хлесткина, А. С. Коршунова и В. П. Канищева [55] предлагается методика расчета расходов вскипающей жидкости в предположении гетерогенного или спонтанного парообразования, а также расходов пароводяных смесей высокой влажности. Баланс расходов в сечениях, где происходит парообразование, выражается соотношением т8=тМ+т119 где тв - расход неиспаряющейся жидкости; тм - расход метастабильного потока горячей жидкости; тп - расход пара в пристенном слое. Расходы тв и тм определяются по формулам: mB=MrFJs =PrF \ м = FJ2{PQ PM) (3.15) Используя также очевидные соотношения тп/ =х І - Ґ = Г X І =1 + г / тз и принимая fir я JJM , находим относительный удельный расход: где /0 - энтальпия воды на входе в канал; ім - энтальпия насыщенного пара при давлении в метастабильной области потока Рм; Р гм - теплота парообразования при давлении Рм, ем = - ; J - относительный удельный расход.
Уравнение (3.16) справедливо до тех пор, пока существует жидкое ядро течения. Оно решается методом последовательного приближения относительно давления метастабильнои жидкости єм. Из приведенного анализа видно, что в реальном течении значения Рц различны для разных участков потока, следовательно, в уравнение (3.16) вводится некоторая средняя величина, представительность которой дискуссионна.
В работе [24] для определения критических расходов, как уже было отмечено в 1.2, предлагается полуэмпирическое уравнение: где: С, и Са - эмпирические коэффициенты, которые учитывают влияние недогрева жидкости и геометрии канала. Для каналов типа сопла Лаваля эти коэффициенты записываются в следующем виде С = 0.9705 + 0.0196 J 1.0588 - 1 Р . Са =1.0333- (0.3367а+4)896ехр(-15.8216-0.3078а), где а -угол раствора канала. Однако зависимости такого типа не являются универсальными, и поэтому требуется определенная осторожность при использовании их для расчетов. По данным [56] рекомендуется расчетное выражение для определения максимальных расходов через сопла Лаваля с малыми углами конусности и малыми недогревами: G= F Ё&-Й (3.17), V ио где: //, - коэффициент расхода, учитывающий все отклонения потока от принятой упрощенной модели; Карма " площадь горла сопла. При больших недогревах в горе сопла Лаваля с малыми углами раство pa во всех случаях при критическом истечении устанавливается давление в горле PrvPs. Тогда формула (3.17) приобретает вид .ч/ми г=яЛ m-ps) о. (3.18) Здесь /J2 - соответствующий коэффициент расхода.
Как показано в 3.1, при исследовании распределения давлений вдоль испытываемого сопла Лаваля №1 была выявлена закономерность: в горле сопла устанавливается давление близкое к давлению насыщения, зависящее от начальной температуры рабочей воды на входе. В работе исследовалось сопло с углом раскрытия (раствора) у = 30. Следовательно, с достаточной точностью можно определять расход через сопло как: \2[P0-PS(T)] ип (3.19) или, учитывая соотношение (3.12),
Это подтверждает правильность утверждения, что при заданном Р0 расход рабочей воды определяет давление в горле сопла Лаваля, которое близко к давлению насыщения и зависит от температуры рабочей воды перед соплом.
Необходимо обратить внимание на то, что на обоих графиках присутствует закономерность, связанная с тем, что расход уменьшается с увеличением температуры рабочей воды на входе в сопло. На рис. 3.12 представлена зависимость изменения расхода рабочей воды от температуры на входе в соп
При истечении «холодной» воды из сопла Лаваля поток не сразу отрывается от стенок расширяющейся части сопла, и его начальный участок работает в диффузорном режиме. Поэтому на выходе из горла сопла Лаваля устанавливается давление меньше атмосферного, и экспериментально определенный расход оказывается больше теоретического расхода, рассчитанного в предположении, что давление в горле сопла равно атмосферному.
Нарис. 3.15 представлена зависимость изменения коэффициента расхода рабочей воды в зависимости от давления за соплом.
Из анализа графика следует, что коэффициент расхода при истечении из сопла Лаваля сильно недогретой воды до температуры насыщения не зависит от давления за соплом, если это давление ниже давления насыщения для данной температуры.
Влияние степени расширения при постоянном угле раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля
Для исследования влияния степени расширения при постоянном угле раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля испытывалисъ сопла №1, №4 и №6. Проточная часть этих сопл показана на рис. 2.5, 2.9 и 2.11. Эти сопла имеют степень расширения f = 179,6 для сопла №1, f — 247,5 для сопла №6 и f = 315,4 для сопла №4. Углы раскрытия, соответственно, у = 2840 ;20 для сопла №1 и 2840 для сопл №4 и №6. Испытания сопл проводились при давлении перед соплом Ро = 1,8 + 5,0МПа.
Для детального анализа влияния степени расширения выходной части сопла Лаваля рассмотрим работу сопл №1, №4 и №6 на расчетном режиме истечения Ра = Рг при Ро =2,6МПа. На рис. 4.4 представлены зависимости изменения в выходном сечении сопла давления Ра, степени сухости х, коэффициента скольжения v, и коэффициента скорости ф в зависимости от температуры рабочей воды перед соплом То и степени расширения выходной части сопл на расчетном режиме истечения при Р0 = 2,6МПа. Анализ данных графиков позволяет сделать следующие выводы:
1. Увеличение степени расширения уменьшает давление в выходном сечении сопла Ра и тем самым приводит к смещению расчетного режима истечения в зону более низких давлений. Это позволяет в сопле срабатывать больший перепад, что приводит к увеличению степени сухости в выходном сечении сопла, к увеличению скорости пароводяной смеси в выходном сечении сопла и, как следствие, к увеличению тяги сопла.
2. Увеличение степени расширения приводит к некоторому изменению значений коэффициентов скольжения. Это изменение характерно тем, что с увеличением температуры рабочей воды на входе Т 100С отмечается некото рый рост коэффициента скольжения, а уменьшение Т 100С приводит к уменьшению коэффициента скольжения.
3. Увеличение степени расширения приводит к изменению значений коэффициентов скорости (р. Надо отметить, что характер изменения коэффициентов скорости р отслеживает характер изменения коэффициентов скольжения v в зависимости от изменения температуры рабочей воды перед соплом. Это подтверждает сделанный ранее вывод о зависимости коэффициента скорости (р от степени сухости х и скольжения фаз v в выходном сечении сопла р = f(x, у).
Таким образом увеличение степени расширения приводит к уменьшению давления в выходном сечении сопла на расчетном режиме истечения и к некоторому увеличению эффективности работы сопла при Т0 100С.
Необходимо отметить важный фактор: значительное изменение степени расширения выходной части сопла приводит к изменениям энергетических характеристик - скорости, тяги, но при этом отношение импульсов фаз в выходном сечении сопла остается постоянным.
Выше в работе было показано, что в интервале углов раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля у = 12 -І- 30 с постоянной степенью расширения f = 179,6 эффективность работы сопл остается постоянной.
Для определения предельного угла раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля испытываггись сопла №4 и №5. Проточная часть этих сопл показана на рис. 2.9 и 2.10. Эти сопла имели степень расширения f = 315,4, углы раскрытия, соответственно, 2840 и 40. Испытания сопл проводились при давлении перед соплом Р0 = 1,8 н- 5,0МПа.
Для детального анализа факторов, влияющих на ухудшение эффективности работы сопла с увеличенным углом раскрытия, рассмотрим работу сопл на расчетном режиме истечения Ра = Рг при Pn = 2,6 МПа.
На рис. 4.6 представлены зависимости изменения в выходном сечении сопла давления Ра, степени сухости х, коэффициента скольжения v и коэффициента скорости ф в зависимости от температуры рабочей воды перед соплом То- на расчетном режиме истечения при Р0 = 2,6МПа. Из графиков видно, что все основные показатели работы сопл: Ра, х, vy испытуемых сопл №4 и №5 совпадают. Тем не менее, коэффициент скорости р у сопла №5 меньше, чем у сопла №4. Следовательно, эффективность работы сопла №5 меньше, чем сопла №4. Очевидно, уменьшение эффективности работы сопла №5 связано с тем, что угол раскрытия расширяющейся части данного сопла больше, чем у сопла №4. В этом случае, возможно, потеря энергии связана с увеличением диффузорно-сти в сечениях сопла, близких к выходному. Таким образом, при степени расширения f = 315,4 увеличение угла раскрытия у 30 приводит к увеличению потери энергии и уменьшению эффективности работы сопла.
