Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных и постановка задачи исследования 9
1.1 Волновая структура потока в решетках с суживающимися каналами при около- и сверх звуковых скоростях 10
1.2 Влияние начального состояния на структуру потока 16
1.3 Движение парокапельной среды в решетках турбомашин 26
1.4 Краткие выводы по обзору и постановка задачи 37
Глава 2. Методика исследований и штатная система измерений 39
2.1 Тепловая схема экспериментальной установки 39
2.2 Рабочая часть и исследуемый объект 43
2.3 Методика измерений 47
2.4 Система пневмометрических измерений 49
2.5 Оптические методы исследований. Прибор теневой автоколлимационный ИАБ-451 52
2.6 Лазерная диагностика потока 56
2.6.1 Принцип метода PIV 58
2.6.2 Особенности настройки системы для применения PIV метода в условиях влажнопарового потока 59
2.6.3 Обработка изображений для получения поля скорости 60
2.6 Особенности расчетной модели в программе Fluent 63
Глава 3. Влияние начального состояния и режима течения на характеристикижидкой фазы в сопловой решетке 67
3.1 Применение метода лазерной диагностики для анализа конденсации пара в зоне Вильсона 68
3.2 Структура движения капель за сопловой решеткой при насыщенном паре на входе 73
3.3 Структура движения капель за сопловой решеткой при начальной влажности на входе з
Глава 4. Влияние режима течения и начального состояния пара на волновую структуру и пульсации статического давления в сопловой решетке 108
4.1 Влияние режима течения и начального состояния на волновую структуру потока 108
4.2 Влияние режима течения и начального состояния на амплитудно-частотные характеристики потока 118
4.2.1 Влияние начального состояния и скорости потока на амплитуды пульсаций статического давления 123
4.2.2 Влияние начального состояния и скорости потока на структуру спектра плотности мощности 130
Заключение 150
Список литературы 153
- Влияние начального состояния на структуру потока
- Оптические методы исследований. Прибор теневой автоколлимационный ИАБ-451
- Структура движения капель за сопловой решеткой при насыщенном паре на входе
- Влияние режима течения и начального состояния на амплитудно-частотные характеристики потока
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение эффективности проточных частей паровых турбин, работающих на влажном паре, является важным направлением развития турбостроения. Опыт эксплуатации паровых турбин ТЭС и АЭС показывает, что именно в этих областях наблюдается рост аэродинамических потерь энергии, эрозия и увеличение аварийности лопаточного аппарата.
Эти явления обусловлены фазовыми переходами, спонтанной конденсацией, образованием в потоке крупнодисперсных – эрозионно опасных капель влаги. Увеличение скорости паровой фазы до трансзвуковых и сверхзвуковых значений приводит к появлению волновой структуры, которая в зоне фазового перехода взаимодействует со скачками конденсации, что приводит к появлению дополнительных возмущающих сил, которые в настоящее время, изучены недостаточно.
Переход к цилиндрам низкого давления повышенной пропускной способности, связанный с разработкой выхлопного отсека с рабочими лопатками предельной длины, приводит к значительному увеличению скоростей потока и усилению отрицательного воздействия жидкой фазы на показания экономичности и надежности.
В настоящий момент разрабатываются профили нового поколения, которые позволят увеличить эффективность и надежность лопаточного аппарата. Кроме этого ведется работа по совершенствованию и созданию новых активных и пассивных способов снижения эрозионного износа лопаточного аппарата.
Для создания профилей и разработки и применения активных способов по снижению эрозионного износа необходимо проведение экспериментальных исследований газодинамики двухфазных сред с применением современных методов диагностики движения крупнодисперсной влаги, определением динамических характеристик во влажнопаровом потоке, возникающих на трансзвуковых и сверхзвуковых режимах.
Одной из основных задач является разработка методики определения характеристик полидисперсных двухфазных потоков в решетках турбомашин и определение влияния начального состояния пара на волновую структуру и амплитудно-частотные характеристики потока в решетках турбомашин. Результаты этих исследований необходимы для изучения физических процессов, более обоснованного проектирования элементов проточных частей паровых турбин, а также разработки и верификации расчетных моделей в газодинамике двухфазных сред.
Цель работы:
Экспериментальное изучение с применением методов лазерной диагностики влияния изменения начальных параметров пара и срабатываемого теплоперепада в сопловой турбинной решетке на параметры движения частиц жидкой фазы, динамические характеристики и структуру потока.
Задачи исследования:
-
Разработка методики применения методов лазерной диагностики для исследования характеристик полидисперсного влажнопарового потока в решетках турбомашин.
-
Исследовать процессы возникновения и движении жидкой фазы за сопловой решеткой.
-
Определение характеристик жидкой фазы за сопловой турбинной решеткой в широком диапазоне режимных параметров.
-
Определить влияние начального состояния пара на волновую структуру потока на около- и сверхзвуковых режимах течения.
-
Определить влияние начального состояния на амплитудно-частотные характеристики основного потока в сопловой решетке.
Научная новизна
Разработана методика применения системы лазерной диагностики, основанной на PIV алгоритме, для измерения параметров жидкой фазы в полидисперсном влажнопаровом потоке.
На основании применения методов лазерной диагностики впервые получены данные экспериментов для различных начальных состояний пара по параметрам движения капель, полям скоростей жидкой фазы за сопловой плоской турбинной решеткой в широком диапазоне режимных параметров.
Экспериментальные данные по влияния начального состояния и скорости пара на волновую структуру и пульсации статического давления за сопловой решеткой
На основании анализа результатов экспериментов установлено, что:
-
Взаимодействие скачка конденсации с адиабатическим скачком, расположенным ниже по потоку, приводит к возникновению периодически нестационарного течения.
-
Процесс взаимодействия скачков сопровождается появлением дополнительных гармоник пульсаций статического давления. Динамический уровень пульсаций возрастает в области взаимодействия скачков конденсации и уплотнения.
-
Показано, что на трансзвуковых режимах при неизменных начальных условиях появляются низкочастотные пульсации статического давления
в минимальном сечении сопловой решетки, приводящие к изменению расхода.
Практическая ценность
Разработанная и апробированная методика применения системы лазерной диагностики расширяет возможности проведения испытаний проточных частей паровых турбин ТЭС и АЭС
Полученные данные по влиянию начального состояния пара на волновую структуру и параметры двухфазного потока в сопловой решетке могут быть применены как исходные для проектирования ступени, выборе осевого зазора между сопловой и рабочей решетками, оценки эффективности системы влагоудаления, разработки методики определения эрозионного износа.
Полученные результаты эксперимента позволяют уточнить методики и программы расчета движения двухфазного потока необходимые для проектирования ступеней паровых турбин.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается в ранее
исследованных диапазонах параметров корреляцией с результатами других
исследователей, применением современных аттестованных измерительных
устройств и апробированных методик измерений, сопоставлением результатов экспериментов, полученных с применением различных методик.
Автор защищает.
-
Методику применения лазерной диагностики, на основе PIV алгоритмов, для исследования полидисперсного влажнопарового потока в элементах проточных частей турбомашин.
-
Результаты экспериментальных исследований характеристик жидкой фазы и структуры влажнопарового потока в широком диапазоне режимных параметров.
-
Результаты измерений пульсаций давлений и волновой структуры потока в плоском пакете сопловых лопаток в зависимости от начального состояния пара.
Апробация работы.
Основные результаты настоящей работы докладывались на следующих научно-технических конференциях, симпозиумах и семинарах:
международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, 2009-2013 гг.;
9th conference on Power System Engineering, Thermodynamics & Fluid Flow. ES 2010;
- 3-я конференция молодых специалистов инженерно-технических служб
ОАО «СИЛОВЫЕ МАШИНЫ». Санкт-Петербрг, 2012 г;
- Baumann Centunary Wet Steam Conference. Cambridge, 2012;
- научный газодинамический семинар кафедры Паровых и газовых турбин,
ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» (Москва, 2013);
- заседание кафедры Паровых и газовых турбин, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»
(Москва, 2013);
- заседание кафедры «Турбины, гидромашины и авиационные двигатели»
ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» (С.-Петербург, 2014).
Публикации.
По результатам диссертационной работы было опубликовано 4 научных статьи и 8 докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка литературы, изложена на 160 страницах машинописного текста, содержит 108 рисунков, 1 таблицу и библиографию из 85 наименований.
Влияние начального состояния на структуру потока
Волновая структура потока визуально отображает неравномерность процесса расширения в ступени. Для анализа волновой структуры с наличием зон конденсации необходимо предварительно проанализировать е на перегретом паре.
В [2] излагаются результаты исследования решеток различного типа при больших дозвуковых скоростях (Ма1 Ma1 1), когда на обводах профилей возникают местные области сверхзвуковых скоростей, а так же при небольших сверхзвуковых скоростях (1 Ма 1,2 - 1,3) [3, 4]. Многочисленные исследования подтверждают, что в этом диапазоне чисел Ма обнаруживаются кризисные изменения коэффициентов потерь и углов выхода потока [5, 6] (рисунок 1.1), причем для различных решеток характер изменения пр, , 1 в этой зоне скоростей существенно различен.
Наибольшее влияние на структуру потока в изолированной решетке и, соответственно, на зависимости (Ma) [7, 8] оказывают форма межпрофильного канала и спинки в косом срезе, а также другие геометрические параметры решетки (относительный шаг, толщина, форма выходной кромки и др.). Перечисленные параметры определяют форму и расположение поверхности перехода при 1 Ма1 Ма1 , а также интенсивность скачков, замыкающих локальные области сверхзвуковых скоростей и взаимодействующих с пограничным слоем.
В [2] говорится, что в зависимости от типа решетки, формы профиля и межлопаточного канала, а также угла входа потока сверхзвуковые области и замыкающие их скачки возникают в косом срезе на входе в канал или на выходе из него. Изменение газодинамических характеристик решеток в зависимости от числа Ma1 (или Ма2) при околозвуковых скоростях определяется расположением местных скачков, воздействующих на пограничный слой. В этой связи необходимо знать критические числа Ма и режим пограничного слоя в местных сверхзвуковых зонах и вблизи поверхности перехода. Автор [2] рассматривает течение газа в сопловых решетках при больших дозвуковых скоростях (Ma1 Ма1 ). И говорит, что критические числа Ma1 в решетке достигаются в точках минимального давления на спинке профиля в косом срезе (рисунок 1.2), а также вблизи выходной кромки, где давление может оказаться более низким, чем на спинке. При заданной форме профиля значения Ма1 , меняются в зависимости от относительного шага и толщины выходной кромки. При малом шаге сверхзвуковые области фиксируются у выходных кромок, а затем в косом срезе. С увеличением шага числа Ма1 (Маi 1) достигаются вначале на спинке в косом срезе. При этом форма спинки вблизи минимального сечения и за ним оказывает существенное влияние на достижение режимов Ма1 , на положение сверхзвуковых зон и интенсивность возникающих скачков.
Решетки при больших сверхзвуковых скоростях потока исследованы в недостаточном объеме. Имеющиеся опытные данные показывают, что с увеличением Ma1т (Ma1т 1,2 - 1,3) [2, 8] коэффициенты профильных потерь увеличиваются и достигают максимальных значений при Ma1т = 1,6 - 1,8 в зависимости от геометрических параметров решетки.
Как показано в [8] при Ма1т Ма1 линия перехода занимает фиксированное положение вблизи узкого сечения канала. За выходной кромкой давление ниже критического, поэтому при обтекании кромки (точка А, рисунок 1.3, а) давление снижается — в косом срезе распространяется волна разрежения ABC.
Последующее развитие спектра зависит от структуры потока за выходной кромкой и степени перерасширения потока в волне ABC. На границах начального участка кромочного следа возникает система скачков и волн уплотнения, сливающихся в косые скачки FC и FH. Itf Ofi BJ U № І0 ttJ Мйіт
Схема спектров потока для конфузорной решетки Перерасширение потока в первичной и отраженных волнах разрежения частично "исправляется" первичным скачком FC. Скачок, взаимодействуя с пограничным слоем на спинке профиля в косом срезе, отражается и вновь попадает на кромочный след. В зависимости от среднего значения числа Ма в этом сечении кромочного следа отраженный скачок FC либо пересекает кромочный след (Макр 1), либо отражается от его границы. Таким образом, поток в косом срезе последовательно проходит через первичную и отраженные волны разрежения, первичный и отраженный скачки.
Поведение граничных линий тока при сходе с кромки (со стороны спинки профиля) существенно зависит от соотношения давлений в точке D и за выходной кромкой. Если давление в точке D более высокое, чем за кромкой, то в этой точке образуется волна разрежения и обтекание кромки улучшается. Линия тока сходит с профиля не в точке D, а в точке Е. Волна разрежения DLKD замыкается системой слабых скачков уплотнения, сливающихся в криволинейный скачок FH. Система скачков FC и FH образует хвостовую ударную волну профиля. Если давление вблизи точки D будет ниже давления за кромкой, то скачок образуется в точке D. В некоторых случаях скачок располагается выше по потоку относительно точки D. С увеличением перепада давлений меняется спектр потока в косом срезе канала и за решеткой; изменяются интенсивность и характер расположения волн разрежения и скачков уплотнения (рисунок 1.3, б). Увеличиваются протяженность и интенсивность первичной волны разрежения. Углы первичного, отраженного и кромочного скачков уменьшаются, и точка падения косого скачка FC на спинку профиля (точка С) смещается по потоку. Однако интенсивность скачков возрастает только до определенного значения числа Ма1т, зависящего от геометрических параметров решетки.
Оптические методы исследований. Прибор теневой автоколлимационный ИАБ-451
Экспериментальные исследования выполнены на стенде КВП-2, который расположен на кафедре паровых и газовых турбин в лаборатории оптико физических исследований. Установка входит в общую тепловую схему КВП (контур влажного пара), которая включает в себя 5 подобных стендов для исследования элементов проточных частей турбомашин. Особенность стендов заключается в том, что возможно производить исследования в широком диапазоне скоростей при различных параметрах пара перед исследуемым объектом (перегретый, насыщенный и влажный пар). Для проведения исследований с применением современного оборудования была произведена модернизация стенда, включающая замену трубопроводов, насосов, арматуры, штатной системы измерений и подготовка для использования методов лазерной диагностики. Тепловая схема стенда интегрирована в схему ТЭЦ МЭИ, а оборудование расположено от нулевой до двадцатой отметок станции.
Основные элементы, изображенные на рисунке 2.1: 1 – конденсатор, 2 – коллектор пара из отбора турбины, 3 – паровой эжектор, 4 – КВП1, 5 – КВП2, 6 – КВП3, 7 – коллектор питательной воды на форсунки, 8 – мерный бак, 9 – первая ступень увлажнения, 10 – вторая ступень увлажнения.
Пар из отбора турбины ТЭЦ МЭИ поступает на первую ступень увлажнения (9) и поступает в паровой коллектор (2), из него часть пар поступает на пародутьевые форсунки (7), а остальная часть пара проходит вторую ступень увлажнения (10). После чего насыщенный пар подается в бак ресивер (5). Для получения перегретого пара заданной температуры изменяется расход питательный воды на ступени увлажнения. Влажный пар перед исследуемым объектом получают с помощью блока пародутьевых форсунок, расположенных в баке ресивере. Они позволяют получить равновесную среду в баке ресивере с начальной влажностью до 12 %. При этом последовательное включение форсунок позволяет получить одинаковый дисперсный состав жидкой фазы при различной влажности на входе. Диаметр создаваемых капель расположен в диапазоне (20-60) 10-6 м.
Процесс двухступенчатого охлаждения и увлажнения показан в h-s диаграмме на рисунке 2.2 [72]. Линия 1 – 2 изобарное охлаждение пара в первой ступени увлажнения; 2 – 3 дросселирование в задвижке; 3 – 4 изобарное охлаждение пара во второй ступени увлажнения; 4 – 5 дросселирование в клапане перед ресивером стендов КВП; 5 – 6 изобарное увлажнение до требуемой степени влажности с помощью форсунок.
Пройдя исследуемый объект, установленный в рабочую часть, пар поступает в конденсатор. Для удаления присосов воздуха к конденсатору подключен 2-ух ступенчатый паровой эжектор, который позволяет регулировать статическое давление на выходе. Для измерения расхода пара через исследуемый объект, установлен мерный бак конденсатора, который соединен с баком нижних точек через гидрозатвор.
На рисунке 2.3 представлена фотография стенда КВП – 2 с установленной на него рабочей частью для исследования плоских сопловых лопаток. Рисунок 2.1. Принципиальная схема стендов КВП Рисунок 2.2. Процесс охлаждения и увлажнения пара
Объектом исследования являлся плоский пакет изолированных сопловых лопаток С-90-15А, установленный в съемную рабочую часть. Схема рабочей части представлена на рисунке 2.4. В ней предусмотрены окна для установки оптических стекол, которые необходимы при использования прибора ИАБ - 451 (шлирен метод) и лазерной диагностики. Для исследования характеристик жидкой фазы методами лазерной диагностики, дополнительно к оптическим стеклам был установлен зонд, для заведения лазерного ножа в исследуемую плоскость канала. Так же перед решеткой установлены зонды для измерения давления полного торможения и температуры, и дренажи для измерения статического давления за решеткой.
Пленка жидкости, формируемая на стеклах рабочей части, создает искажения получаемых изображений при измерениях с использованием оптических методов. Для снижения паразитного эффекта перед исследуемым объектом сбоку и снизу были организованы щели для сепарации с камерами отбора, которые соединяются с паровым эжектором [72].
Структура движения капель за сопловой решеткой при насыщенном паре на входе
Как показано в [9], минимальные давления при переходе в канале от перегретого к насыщенному или влажному пару наблюдаются на спинке профиля, вблизи минимального сечения и за выходными кромками, где формируется вихревое движение в кромочном следе. В этих областях формируются условия, благоприятствующие процессу конденсации пара и образованию жидкой фазы малых размеров. Однако в результате анализа мгновенных фотографий возникновения влаги в вихревом следе за кромкой не обнаружено. На рисунке 3.1 в области за кромкой наблюдается засвеченная лазером зона. Однако положение этой области неизменно во всех сериях опытов и, таким образом, е появление объясняется нежелательной засветкой, связанной с оптической системой, а не с особенностями структуры двухфазного потока.
Но все же, как отмечается в [9], образование влаги со стороны вогнутой поверхности может быть связано с процессом обтекания выходных кромок лопаток, которое существенно осложняется тем, что скорость потока, а также толщина пограничного слоя с обеих сторон кромки могут быть существенно различными. Так, для дозвуковых режимов со стороны вогнутой поверхности давление и скорость потока приближаются к их средним значениям за решеткой, а толщина пограничного слоя из-за конфузорного характера течения в пристеночной струйке тока мала. Кроме того, при обтекании вогнутой поверхности возникает дополнительная турбулизация пограничного слоя вихрями Гетлера-Тейлора, что усиливает интенсивность турбулентных пульсаций и, следовательно, турбулентную вязкость поверхности раздела над зоной отрыва. Вследствие этого эжектирующее влияние потока со стороны вогнутой поверхности обычно велико.
Как показано в [15], особенно важным является высокий уровень пристенной гидродинамической турбулентности, способствующий интенсификации фазовых переходов [79]. В таких условиях возможна конденсация в пограничном слое при минимальном переохлаждении и не исключено, что именно здесь впервые появляются зародыши жидкой фазы, являющиеся центрами последующей конденсации. В связи с этим, как раз со стороны вогнутой поверхности находится область, благоприятная для появления зародышей жидкой фазы из-за высокой степени пристеночной турбулентности.
С ростом переохлаждения или перенасыщения пара число зародышей быстро растет [14]. С ростом степени турбулентности и с уменьшением переохлаждения пара число образующихся зародышей падает, а их диаметр растет. Этот рост, как показывает автор работы [80], происходит не линейным образом, а по экспоненциальной зависимости. По – видимому, из-за этого на фотографиях наблюдаются отдельно засвеченные точки, а не «туман» из мелких капель, как это происходит в сопле Лаваля, представленном ниже.
Эффект появления влаги на фотографиях был получен в плоском несимметричном сопле Лаваля при перегреве T0 = 12 К, когда за скачком конденсации также образовывались засвеченные лазером характерные светлые зоны (рисунок 3.4,б). Однако не имеющая характерной формы белая пелена на этих фотографиях – это мелкая влага, которая изменяет свое положение на двух кадрах серии, полученных с интервалом 400 нс. В области расположения скачка уплотнения на фотографиях, полученных методом PIV, также наблюдается ярко выраженная светлая полоса, появление которой связано с повышением концентрации капель в этой зоне. Скачок уплотнения на данном режиме имеет нестационарный характер, что подтверждают результаты визуализации, полученные как теневым методом (рисунок 3.4,а), так и с помощью лазерной системы для PIV измерений (рисунок 3.4,б). Таким образом, если бы концентрация влаги, образовавшейся в вихрях кромочного следа, на рассмотренном режиме была существенной, то мелкие капли в виде тумана визуально проявились бы на снимках течения (рисунок 3.1). Представленные результаты позволяют предположить, что конденсация в потоке происходит в основном на каплях, срывающихся с вогнутой поверхности, а процесс конденсации в кромочном (капельном) следе и ядре потока незначителен.
На сверхзвуковом режиме М1т =1.17 капли появляются при Т0= 8 К, а на режиме М1т =1.32 капли появляются при Т0= 14 К (см. рисунок 3.2), что соответствует теоретической влажности на выходе y1т = 3,8 % (см. рисунок 3.3). Так же, как и на дозвуковых режимах, влага за решеткой появляется со стороны вогнутой поверхности профиля в виде дискретных образований с переменной частотой во времени (см. рисунок 3.5). Снижение температуры перегрева по сравнению с дозвуковыми режимами, при которой возникает влага в канале связано, по-видимому, с изменением процесса обтекания выходной кромки из-за возникновения скачков уплотнения и конденсации, расположенных вблизи нее. Рисунок 3.5. Первоначальный момент появления влаги при М1т = 1,39 и Т0 = 8 К.
На рисунке 3.6 представлена структура капельного следа при состоянии насыщения во входном сечении решетки в зависимости от скорости потока. На фотографиях хорошо виден капельный след и область схода влаги с поверхности профиля. На некотором расстоянии от выходной кромки наблюдается ярко выраженная волнообразная структура капельного следа (рисунок 3.6, а, б). Капли срываются с вогнутой поверхности дискретными образованиями, расстояние между которыми увеличивается вследствие роста скорости вдоль следа. При этом траектории движения капель в этой области не имеют волнообразной формы, что подтверждает векторное поле скоростей, полученное в процессе обработки с помощью PIV метода (рисунок 3.7).
Влияние режима течения и начального состояния на амплитудно-частотные характеристики потока
При частичных нагрузках турбоагрегата в последних ступенях возникают режимы с околозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, что приводит к кризисному изменению коэффициентов потерь, углов выхода и пульсаций давления потока. В зависимости от типа решетки, формы профиля и межлопаточного канала, а также угла входа потока, сверхзвуковые области и замыкающие их скачки возникают в косом срезе, на входе в канал или на выходе из него. Изменение газодинамических характеристик и пульсаций потока в решетке определяется расположением локальных скачков уплотнения, взаимодействием адиабатических скачков и скачков конденсации, воздействием скачков на пограничный слой. Несмотря на то, что эти процессы изучены достаточно подробно [2, 8, 14], остаются невыясненные вопросы, особенно по влиянию начального состояния пара на волновую структуру и пульсации давления в решетке.
В данной работе рассматривается влияние режима течения (чисел Маха) и начального состояния пара на волновую структуру потока в изолированной сопловой решетке С-90-15А. Исследования выполнены при помощи теневого автоколлимационного прибора ИАБ-457 в диапазоне чисел Маха М1т=0,9-1,7 и начального состояния Т0 =0-46 К. Структура потока при M1т = 0,91 – 1,70 на перегретом паре (Т0 = 46 К) представлена на рисунке 4.1. При M1т = 0,91 в косом срезе возникает локальная сверхзвуковая область в зоне наименьшего давления, замыкающаяся системой скачков уплотнения 1 на спинке профиля. Перед скачками пограничный слой ламинизирован в потоке с большими отрицательными градиентами давлений в местной сверхзвуковой зоне скоростей. Поэтому система скачков 1 может приводить к отрыву пограничного слоя и, соответственно, к росту профильных потерь кинетической энергии и к началу возникновения кризиса потерь первого рода. При минимальной интенсивности скачков возможно последующее прилипание пограничного слоя. В этом случае повторный отрыв происходит в сверхзвуковой зоне скоростей у выходной кромки. С ростом скоростей до M1т = 1,02 интенсивность скачков 1 увеличивается, причем их протяженность поперек потока такова, что происходит взаимодействие с вихревым следом предыдущей лопатки. В этом случае, оторвавшийся пограничный слой, по-видимому, уже не присоединяется, что приводит к интенсивному росту потерь (см. рисунок 4.2). В дальнейшем при увеличении M1т 1 местная сверхзвуковая зона на спинке перемещается против потока и совмещается со сверхзвуковой зоной у выходной кромки. Линия перехода, обладающая значительной кривизной, пересекает межлопаточный канал и, деформируясь, приближается к минимальному сечению. При M1т = 1,17 в минимальном сечении существует центрированная волна разрежения 1, интенсивность которой зависит от давления за кромкой, а не от статического давления за решеткой. В ней поток перерасширяется, в связи с чем возникает внутренний кромочный скачок уплотнения 2, который может вызвать отрыв пограничного слоя. Однако, из-за дальнейшего расширения потока вдоль выпуклой спинки профиля отрыв слоя быстро локализуется и потери падают. Давление в конце спинки ниже давления за кромкой, в этой точке образуется внешний кромочный скачок уплотнения 3. На рисунке 4.2 представлена рассчитанная в программном комплексе Fluent зависимость профильных потерь от M1т для исследуемой решетки. Из графика видно, что максимум потерь достигается при M1т = 1-1,1.
При M1т = 1,35 давление в конце спинки становится выше давления за выходной кромкой. В связи с этим поток ускоряется в волне разрежения 3, замыкающейся системой слабых скачков уплотнения 4, сливающихся в криволинейный скачок. Волна разрежения 1 в минимальном сечении становится более интенсивной и отражается от спинки волной разрежения 5, проходящей сквозь след предыдущей лопатки. Внутренний кромочный скачок уплотнения 2 отражается от спинки скачком уплотнения 6, замыкающим отраженную волну 1,50 углы скачков уплотнения уменьшаются. Здесь отчетливо видно, что волна разрежения на внешней кромке отклоняется по потоку, сливаясь со скачком уплотнения, и отражается от следа предыдущей лопатки скачком уплотнения 7, пересекающим след своей лопатки. Причем при взаимодействии волны разрежения со следом предыдущей лопатки ее угол изменяется.
С повышением M1т до 1,70 волновая структура потока изменяется кардинальным образом по сравнению с рассмотренными ранее режимами (см. рисунок 4.3). При этой скорости потока в центрированной волне разрежения 2 достигается предельное переохлаждение Тм = Ts – Tп (Ts – температура насыщения при данном статическом давлении; Tп – истинная температура пара в рассматриваемом сечении) и возникает скачок конденсации 1. Причем в отличие от режимов с M1т = 0,91-1,50 в результате взаимодействия скачка конденсации с адиабатическими скачками процесс расширения потока становится нестационарным.
В начальный момент времени (см. рисунок 4.3,а) в центрированной волне разрежения 2 возникает скачок конденсации 1. За ним поток остается сверхзвуковым и в дальнейшем ускоряется в волнах разрежения 2 и 4, которые замыкаются внутренним кромочным скачком 3. В этот момент времени он перемещается за пределы косого среза. Внутренний кромочный скачок 3 взаимодействует с вихревым следом следующей лопатки. Для полного перехода из метастабильного состояния переохлаждения в равновесное состояние влажного пара в зоне спонтанной конденсации выделяется определенное количество тепловой энергии, при подводе которой к паровой фазе в сверхзвуковом потоке статическое давление возрастает, перерасширение потока уменьшается и угол внутреннего кромочного скачка 3 начинает увеличиваться. При этом волна разрежения 5, ранее пересекавшая закромочный след предыдущей лопатки (рисунок 4.3, а), отражается от него волной сжатия 6 (рисунок 4.3, в), что приводит в конечный момент времени до М1т 1,4. Переохлаждение потока уменьшается и спонтанная конденсация прекращается (рисунок 4.3, г). В то же время, статическое давление на бесконечности остается постоянным, и оно намного ниже давления за кромочным скачком, поэтому поток ускоряется и процесс повторяется. Сложность этого процесса связана с взаимодействием адиабатического скачка со скачком конденсации в условиях косого среза, где отсутствует вторая твердая граница, а след меняет свою форму и положения из-за пульсаций статического давления.
При изменении начального состояния волновая структура потока заметно изменяется. На рисунке 4.4 представлено изменение волновой структуры при уменьшении начального перегрева с T0=46 К до состояния насыщения для M1т=1,70. Здесь для каждого начального состояния верхний снимок представляет волновую структуру в начальный момент времени, а расположенный под ним – в конечный момент времени.
