Пульсации давления в отрывных течениях конденсирующегося и влажного пара Ощепков, Михаил Юрьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Отрывные течения в ступенях турбин, оаботающих в зоне Вильсона,обладают важной особенностью: повн-иенная турбулентность в области отрыва способствует спонтанной конденсации. Применительно к задачам совершенствования лопаточ-юго аппарата влажнопаровых ступеней можно выделить два типа отзывных течений, на характеристиках которых может сказаться воз-гакновение или наличие дисперсной фазы:

отрывы в области взаимодействия скачков уплотнения с пограничным слоем, вызывающие кризисный рост потерь кинетической энергии на околозвуковых режимах;

периодический кромочный отрыв, определяющий величину кромочных потерь и степень турбулентности следа.

Установлено, что параметры взаимодействия весьма чувствительны к условиям тепло- и массообмёна. Наличие скачков кон-іенсации и возбуждающих сил, .вызванных взаимодействием решеток. южет увеличить переменные аэродинамические нагрузки, действующие на лопатку, поэтому решение задач оптимизации профилей для )аботы во влажнопаровых ступенях требует углубленного изучения сартины взаимодействия как стационарных конденсационных, так и щиабатических скачков с пограничным слоем.

Спонтанная конденсация в кромочном отрыве сказывается на 'вчений в косом срезе, где распростра :лю'ля периодические волны іазрежения и сжатия, также генерирующие жидкую фазу. Измерения іульсаций давления обнаруживают резкий рост амплитуды периоди-шских пульсаций вблизи линии насыщения, однако разрозненные >кспериментальные данные требуют существенного уточнения влияния іеяммньк параметров на характеристики периодического отрыва.

Цель работы - экспериментальное ^изучение следующих вопросов:
. взаимодействие стационарных скачков конденсации с пограничным
:лоем; , , ',' ' .'

'.. инициирование конденсации в области адиабатического скачка и нтерференция скачков конденсации л уплотнения;^; .. взаимодействие скачков уплотнения с пограничным слоем при вла-'ообразовании в зоне скачка и с двухфазным погралшчным слоем; ... изучение, влияния начального состояния пара на характеристики ериодичёски'нестационарного отрывного течения. .

-4.-

Решение данных задач требует применения упрощенных моделей, поэтому в качестве объекта исследования при изучении взаимодействия скачков конденсации и уплотнения с пограничным слоем были выбраны плоские сопла Лаваля. позволяющие в широком диапазоне варьировать структуру потока. Периодически нестационарный отрыв изучался на примере поперечного обтекания цилиндра, поскольку многочисленные надежные данные, полученные на воздухе, позволяют провести сравнительный анализ и установить влияние спонтанной конденсации и начальной влажности пара.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

измерены пульсации давления в области взаимодействия стационарных скачков конденсации с пограничным слоем, установлена количественная зависимость уровня низкочастотных пульсаций от местной скорости расширения потока;

изучен процесс инициирования конденсации в области осцилляции нестационарного адиабатического скачка, определено влияние скорости расширения на предельное переохлаждение потока в сечении скачка уплотнения; ""

описаны эффекты интерференции конденсационных и адиабатических скачков при изменении режимных параметров;

установлено влияние формы сопла на характеристики взаимодействия скачков уплотнения с двухфазным пограничным слоем; .

определены количественные зависимости числа Sh. частоты и амплитуды пульсаций давления на поверхности цилиндра от скорости и термодинамических параметров потока;

установлена связь параметров потока в области околозвукового кризиса сопротивления с изменением периодических пульсаций давления в зоне отрыва вследствие конденсации;

проведено сопоставление полученных результатов с данными советских и зарубежных авторов применительно к задачам совершенствования проточной части влажнопаровых ступеней турбин.

Степень достоверности и обоснованности результатов. При выполнении работы производилось сопоставление результатов оптических наблюдений (в т. ч. ннтерферометрических). скоростной теневой съемки и пневмсиетрических измерений с результатами измерений спектров пульсаций давления, что обеспечило получение достоверноП картины нестационарных отрывных течений. Параметры спонтанной конденсации определялись расчетом и сравнивались с данными, полученными методом лазерного зондирования.

Методика измерений пульсаций давления пьезокерамическими и волоконно-оптическими датчиками позволила получить хорошо воспроизводимые результаты благодаря оценке погрешностей, тарировке датчиков в ходе опытов и повышению количества измерений.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены:

1. На 8-й Всесоюзной конференции "Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах", Л.. октябрь 1990;

2. На семинаре ЦНИИ им.А.Н.Крылова "Проблемы развития судовых турбинных установок".Л..май 1991;

3. На Республиканской научно-технической конференции "Математическое моделирование и вычислительный эксперимент для совершенствования энергетических и транспортных турбоустановок...". Украинская ССР.Змиев, сентябрь 1991;

4. На 2-м Минском международном форуме по тепло- и массообмену, Минск, май 1992;

5. На газодинамическом семинаре кафедры ПГТ МЭИ.М..апрель 1994;

6. На заседании кафедры ПГТ, май 1994.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 3 статьи, выпущены тезисы докладов, техническая информация и 2 научно-технических отчета.

Практическая ценность работы. Полученные результаты позволяют более детально учитывать влияние нестационарных эффектов¹ при разработке сопел, решеток и диффузсрсіз для конденсирующегося и влажного пара. Обобщение опытных данных подтверждает целесообразность новых приемов профилирования сверхзвуковых сопловых решеток, в которых требуется обеспечить стабилизацию течения на нерасчетных режимах.

Выполненные исследования.предоставляют эмпирические данные, позволяющие усовершенствовать теоретические модели периодически нестационарных отрывных течений пересыщенного пара.

Освоенные методики измерений могут- применяться в газодина
мических экспериментах и при исследованиях турбин.
' , ;.";"Личный вклад автора. Автором разработаны и созданы экспери
ментальные модели,-усовершенствована методика эксперимента и об
работки данных,обоснована. , программа - исследований. Проведены
экспериментальные исследования» .составляющие существо данной
диссертационной ' работы и предложены Физические объяснения обна
руженных ЯВЛеНИЙ. "'-'.''. '<' ."'. ' " '

Автор защищает результаты экспериментального исследования течений в соплах Лаваля и поперечного обтекания цилиндра, объяснения обнаруженных физических явлений, целесообразность новых приемов профилирования сверхзвуковых решеток, предложенных МЭИ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 194 страницах, включает 112 страниц машинописного текста, иллюстрируется 90 рисунками, состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения и списка использованной литературы из 99 наименований. -