Содержание к диссертации
Введение
Глава №1. Выбор направления исследования (состояние вопроса) 10
1.1. Развитие активных методов защиты от эрозии во влажнопаровых ступенях турбин ,...10
1.1.1. Технические системы для воздействия на пленочную и крупнодисперсную капельную влагу 11
1.1.1.1. Системы для отвода влаги из проточной части ...12
1.1.1.2. Системы испарения пленочной влаги 15
1.1.1.3. Дробление и разгон пленочной влаги 20
1.1.2. Предотвращение осаждения влаги на поверхность направляющего аппарата 26
1.2. Выбор исследуемых вариантов противоэрозионных систем. Цели и задачи исследования 31
1.3. Обзор литературы 33
Глава № 2. Разработка конструкции диафрагмы для выдува и методика проведения экспериментальных исследований методов борьбы с влагой 40
2.1. Разработка конструкции диафрагмы с выдувом для последней ступени мощных паровых турбин 41
2.2. Объект исследования и экспериментальная установка 44
2.3. Методика измерений дисперсности влаги и обработки результатов эксперимента 51
2.4. Соотношение процессов испарения и разгона влаги за направляющим аппаратом с выдувом перегретого пара 56
2.5. Моделирование процессов дробления пленочной влаги 62
2.6. Выбор места замера параметров капельной влаги за экспериментальной решеткой 67
2.7. Выводы по главе 2 71
Глава № 3. Результаты экспериментального исследования влияния различных конструктивных факторов на интенсификацию дробления капель в газожидкостном потоке за направляющей решеткой 73
3.1. Структура капельного потока за исходным направляющим аппаратом 74
3.2. Структура капельного потока за решеткой с выдувом 76
3.3. Решетка лопаток с продольными надрезами 81
3.4. Решетки профилей с регулярным микрорельефом на поверхности лопаток 85
3.5. Решетки профилей с перепуском влаги на выпуклую поверхность лопаток 88
3.6. Выводы по главе 3 100
Глава 4. Газодинамические характеристики исследуемых вариантов 103
4.1. Обзор результатов опубликованных исследований газодинамических характеристик исследуемых вариантов 103
4.2. Цель и объект исследования 110
4.3. Методика измерений и обработки результатов экспериментов 112
4.3.1. Обзор методик расчета и критериев оценки потерь энергии с учетом выдува 112
4.3.2. Методика обработки экспериментальных данных 118
4.4. Газодинамические характеристики исходного варианта решетки .. 121
4.5. Газодинамические характеристики решетки профилей, выполненных для организации выдува 123
4.6. Газодинамические характеристики решетки с выдувом 123
4.7. Газодинамические характеристики модельной ступени с выдувом рабочего тела 130
4.8. Газодинамические характеристики решетки с продольными надрезами 134
4.9. Газодинамические характеристики решеток с регулярным микрорельефом на поверхности лопаток 136
4.10. Профильные потери решеток с перепуском влаги с вогнутой на выпуклую поверхность профиля 138
4.11. Выводы по главе 4 140
Глава №5 Сравнение исследованных вариантов 142
5.1. Сравнение исследованных вариантов по эффективности снижения эрозионной опасности капельных потоков 142
5.1.1. Характеристики капельных потоков на входе в рабочее колесо 142
5.1.2. Методика оценки эрозионной опасности капельных потоков 151
5.1.3. Сравнение эрозионной опасности парокапельных потоков в ступенях с различными противоэрозионными системами 157
5.2. Изменение экономичности влажнопаровой ступени 159
5.2.1. Увеличение потерь в направляющих аппаратах с выдувом, рифлением и надрезами 160
5.2.2. Снижение потерь от влажности в ступени при изменении структуры влажнопарового потока. 164
Заключение. Выводы и рекомендации по выбору противоэрозионных систем в последних ступенях мощных паровых турбин 168
Литература
- Дробление и разгон пленочной влаги
- Методика измерений дисперсности влаги и обработки результатов эксперимента
- Решетка лопаток с продольными надрезами
- Газодинамические характеристики исходного варианта решетки
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие атомной энергетики, большая величина единичных мощностей турбин на органическом топливе продолжают привлекать внимание к проблеме обеспечения надежности и экономичности влажнопаровых ступеней. Для борьбы с отрицательным влиянием влаги на работу таких ступеней, прежде всего - с эрозионным износом лопаточного аппарата, предложено большое количество различных технических систем. Практические вопросы создания и совершенствования этих технических систем решаются на основании широких исследований процессов возникновения и движения жидкой фазы в проточных частях, образования крупных капель и их воздействия на эрозию лопаток, на экономичность турбин и т.п. В Советском Союзе такие исследования были начаты в БИТМ и ХТЗ и развиты в ЦКТИ, ЛПИ, МЭИ и на ЛМЗ, КТЗ, других научных организациях и заводах. Проблемам влажнопаровых ступеней много внимания уделили такие ведущие ученые в области турбиностроения как И.И. Кириллов, P.M. Яблоник, ГА Филиппов, ОА Поваров, И.П. Фаддеев и многие другие. Ими, в частности, определено, что одним из определяющих факторов на процессы эрозии рабочих лопаток являются размеры капель, образующихся за направляющим аппаратом.
Несмотря на большое число исследований и опытно-конструкторских работ, сепарационные устройства в проточной части не решили проблемы, связанные с присутствием капельной влаги в потоке, прежде всего — проблему эрозионного износа. Внедрение систем, направленных на испарение или дробление влаги, сдерживается сложностью конструктивного выполнения таких систем и недостаточной экспериментальной и теоретической их проработкой. Данное обстоятельство определяет актуальность темы диссертационной работы, направленной на повышение эффективности противоэрозионных систем во влажнопаровых ступенях паровых турбин большой мощности.
Цель работы - дать конструктивное и исследовательское обоснование наиболее эффективных систем борьбы с каплеударной эрозией во влажнопаровых ступенях паровых турбин большой мощности.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
-впервые получены сравнительные характеристики структуры капельного потока за лопатками с выдувом, с надрезами, с регулярным микрорельефом и с перепуском влаги с вогнутой поверхности профиля на выпуклую. Установлено, что регулярный микрорельеф глубиной 4-5 мкм не влияет на течение пленок и формирование паро-капельного потока за решеткой. Показано, что при выдуве со скоростью выдуваемой струи, равной скорости основного потока СУСоси =1 дисперсность капельного потока уменьшается вдвое, а также существенно уменьшается расход влаги в следе.
— экспериментально доказано, что интенсификация дробления пленочной влаги от воздействия регулярного рельефа, значительно превосходящего тол-
1 ГОС. НАЦИОНАЛЫ»* I БИБЛИОТЕКА
1 уявта
толщины водяной пленки, зависит, главным образом, не от формы рельефа, а от уровня скоростей газового (парового) потока, омывающего участок профиля лопатки с нанесенным на него регулярным рельефом.
получены экспериментальные газодинамические характеристики направляющих аппаратов всех исследованных вариантов, а для ступеней с вы-дувом пара получены также газодинамические характеристики ступени в целом.
расчетным путем доказано, что при оценке формирования и разгона капельного потока в межвенцовом зазоре ступени с выдувом перегретого пара у выходных кромок направляющих лопаток испарением капель в зазоре можно пренебречь.
Практическая ценность выполненныхработ:
полученные результаты позволяют рекомендовать применение для последних ступеней, наиболее подверженных эрозионному износу, разработанную конструкцию диафрагмы с выдувом пара у выходной кромки. Получены рекомендации по параметрам выдува: выдув должен выполняться в верхней трети направляющих лопаток, при этом скорость выдуваемой струи С, должна быть не менее чем в 1-1.2 раза больше скорости пара за сопловой решеткой СР Получены также рекомендации по организации отбора из проточной части пара на выдув в последней ступени турбины типа К-1000-60/3000, для которой рекомендовано выполнять отбор за третьей ступенью ЦНД;
для влажнопаровых ступеней, в которых нет возможности организовать выдув, рекомендуется применить в качестве меры борьбы с эрозией рабочих лопаток регулярный рельеф на вогнутой поверхности профиля направляющей лопатки у ее выходной кромки;
применительно к турбине типа К-1000-60/3000 разработаны конструкции для практической реализации всех принятых к рассмотрению методов;
разработаны рекомендации по сочетанию регулярного рельефа (надрезов и рифления) с другими методами влагоудаления в ступени, прежде всего - с внутриканальной сепарацией влаги;
получены рекомендации по выбору типа регулярного рельефа, согласно которым из двух рельефов - в виде продольных надрезов и в виде сетки -более целесообразно для интенсификации дробления влаги использовать рельеф сетчатого рифления.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлены тщательным проведением экспериментов, надежностью оттарирован-ной аппаратуры для замера параметров капельных потоков, научно-обоснованной методикой обработки и анализа полученных результатов, наличием подробного патентного обоснования выбранных методов борьбы с каплеударной эрозией.
Апробация работы. Результаты работы обсуждены: 1. На научно - техническом совете ЗАО «Энерготех». С-Петербург. 17.12.2003г.
-
На научно — техническом совете кафедры «Турбиностроение и средства автоматики» Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ). С-Петербург. 12.02.2004г.
-
На совместном семинаре кафедр «Турбиностроение» и «Теоретические основы теплотехники» Санкт-Петербургского Государственного Технического университета. С-Петербург. 17.06.2004г.
-
На XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. Миасс. 24.06.2004г.
Личный вклад автора. Все работы, проведенные в рамках настоящих исследований - анализ развития противоэрозионных систем, постановка и проведение экспериментов по исследованию капельных потоков и газодинамики, разработка конструкции диафрагм с выдувом пара, проведение расчетов испарения капель в струе перегретого пара, эрозионного износа и потерь в ступени - выполнены диссертантом лично.
Автор защищает: результаты экспериментальных исследований структуры капельного потока за лопатками с выдувом, с надрезами, с регулярным микрорельефом и с перепуском влаги с вогнутой поверхности профиля на выпуклую и газодинамические исследования решеток указанных типов, результаты расчетного исследования испарения капель в межвенцовом зазоре ступени с выдувом перегретого пара у выходных кромок направляющих лопаток, разработанные конструкции направляющей лопатки и диафрагмы с выдувом пара, результаты сравнительного исследования эрозионной опасности капельных потоков за диафрагмами с лопатками исследованных вариантов и экономичности соответствующих ступеней.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 92 наименований. Работа изложена на 179 страницах основного текста, включая 70 рисунков.
Дробление и разгон пленочной влаги
Крупнодисперсная влага, образующаяся из пленки, текущей по поверхностям направляющего аппарата, оказывает вредное влияние на надежность и экономичность ступени вследствие значительного рассогласования скоростей пара и жидкости. Для того, чтобы это рассогласование ликвидировать или хотя бы существенно уменьшить, нужно улучшить дробление пленочной влаги и интенсифицировать разгон образующихся капель жидкости. Обе эти задачи можно решить, выдувая перегретый пар из полости внутри направляющей лопатки в пограничный слой на профиле или у выходной кромки лопатки, и имеется целый ряд конструктивных решений, использующих выдув для целей влагоудаления.
Фирма "Броун Бовери" запатентовала метод влагоудаления ([54], [65]), согласно которому в зону наибольшего скопления влаги на вогнутой стороне профиля через направляющие лопатки вводится дополнительный пар повышенной температуры (рис. 1.3 а). Скорость истечения пара через отверстия в лопатке выбирается такой, чтобы обеспечить хорошее перемешивание выдуваемого пара с основным потоком. В концевые части соплового канала, где скопление влаги наибольшее, подвод пара сделан увеличенным за счет большего количества отверстий в лопатках и за счет отверстий в меридианальных обводах у корня и у периферии сопловых каналов. Выдув пара осуществляется через систему отверстий или прорезей. Дополнительный пар предполагалось брать из предыдущих ступеней и при необходимости подогревать в специальном устройстве или получать от постороннего источника.
Такой наддув, осуществляемый только со стороны вогнутой поверхности лопатки, не воздействует на пленку, протекающую по спинке и не исключает образование пленки на вогнутой поверхности лопатки в зоне выходной кромки. Поэтому более эффективным выглядит техническое решение, предложенное фирмой AEI [55] (рис. 1.36), согласно которому перегретый пар выдувается через выходные кромки полых лопаток с целью дробления и разгона влаги. Пар для выдува поступает в лопатку через обод и на своем пути частично испаряет пленку, текущую по профилю.
В конструкции фирмы СЕМ [63], изображенной на рис. 1.4, выдув перегретого пара в зоне выходной кромки осуществляется в нескольких вариантах; со стороны выпуклой поверхности и непосредственно через выходную кромку, причем первый вариант, по данным А.И. Носовицкого и Г.Г. Шпензера [50 Использование для выдува из направляющих лопаток пара, отбираемого из предыдущих ступеней турбины, приводит к определенному снижению экономичности турбоустановки. Вследствие этого целесообразно, по возможности, снижать потери на подводе пара к щелям или отверстиям выдува и уменьшать количество выдуваемого пара при сохранении эффективности дробления и разгона влаги.
Для выполнения первой из этих задач - уменьшения потерь давления при подводе пара к щелям выдува - в качестве одного из мероприятий предлагается в полости лопатки в ее прикорневой зоне устанавливать специальные вставки [11].
В конструкции, предложенной в ЛПИ [10], для уменьшения количества пара, используемого для выдува, последний производится не сплошным потоком, а через каналы, проходящие через лопатку и заканчивающийся каждый в выходной кромке короткой щелью, равной ширине канала. Каждому каналу соответствует влагосборная канавка на поверхности лопатки, что должно сконцентрировать водяную пленку именно в местах выдува пара. Такая конструкция достаточно сложна и поэтому ее применение целесообразно только после тщательной экспериментальной отработки, тем более, что такая система каналов создает дополнительное гидравлическое сопротивление пару по сравнению с выдувом из общей полости внутри лопатки.
Все системы выдува основаны на использовании для дробления влаги источника энергии вне ступени, а именно - перегретого пара. Другим видом энергии, используемой для дробления, может быть энергия ультразвуковых колеб,аний (УЗК) лопаток, вызываемых присоединенным к диафрагме генератором [60]. Однако возбуждение дополнительных колебаний снижает надежность конструкции, что является недостатком этого метода, также как и требование обеспечения надежности работы генератора УЗК, электропроводки и пр. в течение всего периода эксплуатации.
Развитие систем с выдувом пара прослеживается в двух направлениях. Это, во-первых, совмещение выдува с отсосом пара. Такие системы описаны Направляющий аппарат конструкции фирмы «Вестингауз» по [58] выше: конструкция фирмы «Вестингауз» [58] с отсосом пароводяной смеси на периферии и выдувом отсосанной смеси у корня направляющего аппарата (рис. 1.5), сепарационно-испарительное влагоудаление (рис. 1.6) и как его развитие - системы с отсосом пароводяной смеси, сепарацией из него влаги и выдувом сухого насыщенного пара через выходные кромки, что позволяет, кроме отсоса влаги со входной кромки, дробить пленку на сходе ее с выходной кромки.
Методика измерений дисперсности влаги и обработки результатов эксперимента
Блок - схема измерительного прибора представлена на рис. 2.8. При изменении электрического потенциала электрода датчика при касании его капли определенного размера в формирователе импульсов (ФИ) индуцируется сигнал, который поступает на задатчик уровня сигнала (ЗУС), где задается диапазон величины регистрируемого сигнала. Это сделано для того, чтобы изменением диапазонов, которые могут быть кратностью один, два, пять или десять выделять сигналы от самых малых величин (при кратности один) до самых больших (при кратности десять). После ЗУС сигнал через усилитель (У) поступает в сравнивающее устройство (СУ). В СУ происходит сравнение величины сигнала с заданным уровнем и, если сигнал больше или равен этому уровню, то он через усилитель поступает на регистрирующий прибор, которым является в нашем случае частотомер (Ч). Изменением уровня пропускаемого сигнала в СУ изменяется число поступающих на частотомер сигналов в единицу времени.
Размеры капли определяются по амплитуде импульсов, а число капель больших или равных минимальному - по числу импульсов величиной больше заданного уровня. Число капель с размерами, лежащими в определенном промежутке, определяется по разности между числом капель, зарегистрированных при двух этих уровнях пропускаемых сигналов. Уровни пропускаемых сигналов устанавливаются потенциометром и кратны друг другу. Такая схема измерений позволяет регистрировать количество капель определенного размера, проходящих в единицу времени через площадь, занимаемую приемным электродом, и получить таким образом распределение капель по размерам в точке замера. Зная число капель каждого размера, проходящих в единицу времени через заданную площадь, легко можно вычислить удельный расход влаги в точке замера.
Тарировка зонда производилась по массовому расходу и по массовому распределению влаги. Тарировка по массовому расходу производилась путем сравнения расхода, замеренного описанным выше способом в струе за пневматической форсункой с величиной, полученной путем отбора пробы влаги за определенное время в той же точке водо-воздушного потока. Отбор пробы производился, помещая в поток на определенное время запаянную с одной стороны трубку. Размер капли, соответствующей минимальному замеренному импульсу, получали путем сравнения замеров расхода влаги двумя способами.
Надежность проведенной тарировки проверялась измерением распределения дисперсности капельного потока за той же самой форсункой методом улавливания капель на масляный слой на зеркале. Уловленные капли фотографировались через микроскоп с увеличением в 80 раз. Сравнение дисперсности, замеренной электроимпульсным датчиком и методом улавливания на вязкий слой, показано на рис. 2.9. Как видно из этого рисунка, результаты измерений обоими методами оказались весьма близкими. Таким образом, было получено подтверждение, что разработанный метод и аппаратура для замера дисперсности достаточно надежны.
Расчетное исследование соотношения процессов испарения и дробления влаги в струе выдуваемого пара выполнено в работах [45], [46]. Его основные положения и результаты следующие. Вне зависимости от того, осуществляется выдув непосредственно в выходную кромку или на профиль вблизи кромки, основная часть расстояния от точки выдува до входных кромок рабочих лопаток приходится на зазор между направляющей и рабочей решеткой. При этом можно пренебречь рядом физических эффектов, имеющих ограниченную протяженность, таких как разрежение за выходными кромками направляющих лопаток» некоторое рассогласование векторов скоростей выдуваемой струи и основного потока, протяженность участка дробления пленки до устойчивого размера капель и др.
Рассматриваемый процесс происходит при постоянном давлении Рь соответствующем давлению за направляющими лопатками. Это соответствует теории смешения турбулентных струй со спутным потоком окружающей среды, подробно разработанной Г.Н. Абрамовичем [18]. Турбулентной струей является выдуваемая струя со скоростью Со, спутным потоком в нашем случае является поток пара за сопловым аппаратом, скорость которого составляет Сі.
Решетка лопаток с продольными надрезами
Результаты опытов, проведенных на решетке с продольными надрезами (рис. 2.3) показаны на рис. 3.5-3.7.
На рис. 3.5 показано распределение максимальных и средних модальных радиусов капель по шагу решетки и относительные расходы влаги за базовым вариантом лопаток и за лопаткой с тремя надрезами, изображенной на рис. 2.3а, при режиме истечения Мц=0,23. На рис. 3.6 представлены сравнительные характеристики капельных потоков за базовым вариантом лопаток и за лопатками с надрезами для режима Ми = 0,31.
Как видно из рисунков, средние и максимальные размеры капель уменьшаются на 10 - 15 %, а максимум расхода жидкой фазы в потоке смещается в сторону вогнутой части профиля лопатки.
Таким образом, эффект сброса влаги в ядро потока имеет место, однако он для условий эксперимента оказался сравнительно небольшим и не привел к существенному изменению структуры воздушно-капельного потока. Для более подробного исследования рассматриваемого варианта был проведен эксперимент с лопатками, имеющими не три, а один продольный надрез, выполненный на расстоянии 3 мм от выходной кромки, как показано на рис. 2.36.
Как видно из графиков, положительный эффект в этом случае значительно больше. Имеет место уменьшение максимальных размеров капель с -—115 мкм до -85 мкм, а средние модальные размеры капель уменьшились с 75 мкм до 55 мкм. В относительных величинах это составляет снижение максимальных размеров капель на 35%. При этом в сторону вогнутой поверхности смещается максимум распределения по шагу решетки размеров капель и относительного массового расхода влаги. Кроме того, в распределении массового расхода влаги максимум заметно сглаживается, что также говорит о существенном эффекте сброса пленочной влаги с профиля в ядро потока.
Высокая эффективность сброса влаги с поверхности лопатки с одним надрезом связана, видимо, с тем, что в этом случае плавность течения пленки по профилю прерывается в зоне более высоких скоростей рабочего тела в межлопаточном канале, чем в случае трех надрезов, когда первый из уступов расположен выше по потоку, чем в случае одного уступа.
Рассмотрим структуру газожидкостных потоков за решеткой лопаток с регулярным микрорельефом, соответствующим микрорельефу Ш по [84] и за решеткой с сетчатым рифлением на поверхности лопаток у их выходных кромок (см. рис. 2.4). Глубина микрорельефа Ш, выполненного вибронакаткой, составляла 4-5 мкм, а глубина рифления - 0,3-0,5мм.
На рис. 3.8 показаны результаты экспериментов на лопатке с вибронакаткой. Как видно из графиков, структура капельного потока за такой лопаткой практически не отличается от базового варианта с полированной поверхностью лопатки. Это связано, видимо, с малой глубиной регулярных микронеровностей, которая была меньше толщины пленки, оцениваемой по [78] как 15-20 мкм. В этих условиях микронеровности, видимо, заполняются жидкостью и таким образом сглаживаются для прохождения основной части -пленки. Газодинамические характеристики решетки профилей с вибронакаткой по сравнению с исходным вариантом также не изменились (см. главу 4).
Иной результат получен для варианта решетки с сетчатым рифлением. Глубина регулярного микрорельефа на вогнутой поверхности у выходной кромки в этом случае составила 0,3 - 0,5 мм, что на порядок больше толщины пленки, и такие микронеровности оказали сопротивление течению влаги по поверхности. Поэтому, как это показано на рис. 3.9, при режиме истечения Mit=0,23, средние и максимальные размеры капель в потоке за решеткой с рифлением снижаются в области следа на 18 - 20%, а максимум массового расхода влаги сдвигается в сторону вогнутой поверхности лопатки.
Для того, чтобы обеспечить перепуск пленки с вогнутой на выпуклую поверхность лопатки с целью сброса этой влаги в ядро потока за счет разности давления на вогнутой и выпуклой сторонах профиля, выполнены щели, прорезающие перо лопатки и расположенные вдоль образующих профиля. Такие щели можно прорезать под разными углами наклона к поверхностям профиля. В связи с этим, для выявления влияния рассматриваемого перепуска влаги на формирование капельных потоков за решеткой были проведены три серии экспериментов на трех вариантах лопаток, отличающихся друг от друга наклоном щелей. В первой серии щель была прорезана по нормали к спинке лопатки, во второй - под углом 60 и в третьей - под углом 45 к поверхности спинки (рис. 2.4).
Ширина щелей во всех этих трех сериях опытов была одинаковой и составляла 0,5 мм. Как и в опытах с решетками других типов, в этих сериях замерялись максимальные и модальные размеры капель и относительные расходы влаги по шагу решетки, причем в каждом опыте эти характеристики сравнивались с аналогичными распределениями параметров за решеткой базового варианта.
Результаты опытов с прорезью щели под углом 90 к спинке представлены на рис. 3.10, с прорезью под углом 60 - на рис. 3.11, а со щелью, прорезанной под углом 45 - на рис, 3.12. Как видно из рисунков, щели, прорезанные под углом 60 и 90 к спинке лопатки, практически не повлияли на формирование капельных потоков за решеткой. Размеры капель за лопатками с углом наклона щели к спинке 45 уменьшились примерно на 15%, а массовое распределение влаги сместилось в сторону спинки.
Газодинамические характеристики исходного варианта решетки
Газодинамические характеристики направляющих аппаратов рассматриваемых типов изучались только для варианта выдува. Основная часть этих работ была выполнена в процессе разработки и исследований систем охлаждения газотурбинных установок. В этих экспериментальных исследованиях были получены опытные характеристики сопловых решеток и турбинных ступеней с разными конструкциями выпуска охлаждающего воздуха в основной поток и др.
На рис. 4.1 показаны три варианта выпуска рабочего тела из лопаток в проточную часть: через выходную кромку (вариант В), на вогнутую поверхность (вариант К) и на выпуклую (вариант С).
Ряд исследований по выдуву был проведен в ЦИАМ ([23], [48]). В.Д. Венедиктов [23], приводит результаты опытов на плоских модельных решетках с выдувом через выходную кромку при =0,5-1,05, Re=(6-b9)x105 и одинаковой температуре основного и выдуваемого воздуха. Изменение коэффициента скорости А р с изменением относительного расхода на выдув GB/GOCH показано на рис. 4.2. Как видно из графика, с ростом GJG0CH сначала происходит уменьшение кромочных потерь (ф растет), затем с увеличением потерь смешения р2 резко падает и далее имеет место постоянное возрастание коэффициента скорости с увеличением энергии выдуваемого воздуха.
Основные характеристики решетки: М =0Д Re =3-10\ Относительная скорость выдува -- = 0...1 и изменяется за счет расхода воздуха на выдув. Из графика на рис. 4.3а, где показаны результаты [71], видно, что в вариантах С и К выпуск воздуха улучшает обтекание профилей. Это объясняется заполнением уступа за щелью. Отмечается, что в решетках типа В и К с ростом G,yGi наблюдается некоторое увеличение углов выхода из решетки a,i, а в решетке типа С рост oti значительно больше.
Сравнительные испытания различных вариантов выпуска рабочей среды в области выходных кромок сопловых лопаток были проведены также в МЭИ Л.Я. Лазаревым [27],[42]. Исследовались варианты В,С и К решетки С-9015А (ТС-2А) в аэродинамической трубе при равенстве температур основного и выдуваемого воздуха (рис. 4.36). Результаты [42] существенно отличаются от предыдущего исследования [71]. Получено снижение КПД во всех вариантах решеток, причем вариант К имеет наименьшие кромочные потери и меньше других реагирует на выдув. Кроме интегральных характеристик были получены эпюры полных давлений в следах за выходными кромками. По всем характеристикам наиболее эффективен оказался вариант К - выпуск на вогнутую поверхность.
Также три разных варианта выдува исследовались в работе В.И. Локая и БА. Кумирова [44] (рисАЗв). Опыты проводились при Mit=0,52, Reu 106. Измеренные КПД rjp с ростом расхода выдува, который оценивается С Mrт как F=—— / " , , дает результат, обратный рассмотренным ранее «н v k.T. исследованиям: наибольшее снижение экономичности обнаружено для варианта К. Это может быть связано с тем, что толщина выходной кромки для всех вариантов лопаток выполнялась одинаковой. В натуре же для вариантов К и С толщина кромки может быть выполнена значительно меньшей, чем для В. В отличие от КПД, угол выхода а і почти не изменялся при изменении расхода выдуваемой струи.
Три варианта выдува были испытаны в ЛПИ А.И. Носовицким и Г.Г. Шпензером [50]: выдув через выходную кромку (I), через выходную кромку, подрезанную со стороны вогнутой поверхности на 3 мм (II) и через щель, выполненную на вогнутой поверхности на расстоянии 15 мм от выхода кромки (III). Для варианта I получено увеличение потерь с ростом расхода на выдув, что объясняется наличием срывных явлений на выпуклой поверхности у выходной кромки. Профильные потери решеток типа II и Ш с ростом расхода выдуваемой струи монотонно уменьшались, и при этом срывные явления не наблюдались (рис 4.4).
Испытания ступеней с выдувом через выходные кромки сопловых лопаток приведены в [23] и [44]. По результатам [23] эффективный КПД с увеличением расхода на выдув несколько снижается из-за быстрого возрастания располагаемой энергии выдуваемой струи. Степень реактивности ступени при росте GB/GOC увеличивается.
В работе [44] получено увеличение КПД ступени с ростом выдува. Однако в этом случае КПД оценивается по располагаемой энергии только основного потока и поэтому такое увеличение КПД объясняется снижением кромочных потерь и увеличением массы рабочего тела, поступающего на рабочие лопатки.
Таким образом, газодинамические характеристики направляющего аппарата с выдувом рабочего типа в проточную часть зависят от конструкции диафрагмы и от методики испытаний и обработки результатов.
В заключении необходимо еще раз подчеркнуть, что исследований по направляющим аппаратам с принятыми к рассмотрению видам регулярного рельефа - надрезами на профиле, сетчатым рифлением, вибронакаткой, а также с перепуском рабочего тела с вогнутой поверхности на выпуклую не проводились.
Как видно из изложенного обзора опубликованных работ по выдуву, результаты разных авторов расходятся между собой. Если учесть, что решетки или ступени с микрорельефом и с прорезью сквозь лопатки вообще не исследовались, то становится очевидной необходимость проведения исследования газодинамических характеристик всех вариантов направляющих аппаратов.
Поэтому на той же установке УСП-1 с плоской решеткой, где исследовалась структура капельной влаги, были проведены и газодинамические испытания решеток базового варианта с выдувом, с надрезами, с сетчатым рельефом, с прорезями сквозь лопатки и с вибронакаткой. Геометрические характеристики исследуемых решеток, схема подачи, регулирования и замера воздуха, подаваемого из заводской магистрали на выдув, приведены в п. 2.2.
Наиболее подробно исследовался вариант направляющего аппарата с выдувом. Кроме исследований на плоской решетке, было проведено исследование на вращающейся модели, целью которого являлось определение газодинамических характеристик модельной турбинной ступени при выдуве рабочего тела вблизи выходных кромок сопловых лопаток на верхней трети их высоты.
