ГЛАВА III
ДВИЖЕНИЕ ВЛАГИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТАХ
Многие вопросы оценки возникновения мест и развития эрозии во времени могут быть решены на основе данных расчета движения капельно-пленочной влаги в элементах проточной части турбин. Рассмотрение основных теоретических положений образования, движения и взаимодействия капельно-пленочной влаги с элементами проточной части позволит достаточно полно обосновать выдвинутую точку зрения на природу возникновения и развития эрозии.
- ОБРАЗОВАНИЕ И ДВИЖЕНИЕ МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ВЛАГИ
С точки зрения капельной эрозии большой интерес представляет зона расширения пара в турбине, расположенная значительно ниже линии насыщения. Общеизвестен факт задержки конденсации пара при быстром протекании процесса расширения [20] и возникновения переохлаждения пара. В зависимости от скорости расширения пара, характеризуемой скоростью уменьшения энтальпии или давления
начало конденсации пара характеризуется различным положением точки процесса в i, s-диаграмме. При j<2,5 процесс расширения происходит практически равновесно. Для 2,5<j<2,5-104 наблюдается существенное отклонение от равновесного расширения. Для j>2,5·105 расширение пара в каналах существенно неравновесное. При переходе линии насыщения с переохлаждением не происходит выделения скрытой теплоты парообразования. Располагаемая работа переохлажденного пара меньше, а температура ниже, чем при равновесном расширении. Удельный объем переохлажденного пара будет меньше, чем при равновесном состоянии для одинаковых начальных параметров и конечных давлениях процесса расширения. Величина переохлаждения ΔΤ = Ts — Т может быть найдена с помощью формулы Кельвина, определяющей радиус капли чистой, свободной от
Наличие электрического заряда на зародышевых каплях или присутствие в конденсате примесей солей уменьшает упругость насыщенного пара вокруг зародышевых капель. Пересыщение пара у поверхности зародышевой капли снижается. Следовательно, в паровых турбинах для условий последних ступеней ЧНД, где радиус зародышевых капель по (III. 1) составляет (10-50)х10 м, могут устойчиво существовать и более мелкие капли. Однако оценка влияния присутствия примесей на конденсацию во влажнопаровых ступенях по экспериментам разных авторов весьма противоречива. Поэтому в настоящее время влияние на конденсацию примесей и электрических зарядов не учитывается.
По опытам [8], наряду с другими факторами (чисел М, Re, формы канала) переохлаждение зависит также от начального перегрева пара ∆Т = Т0 — Ts. При дозвуковых скоростях в сильно суживающихся соплах в потоке пара существует почти полное переохлаждение. Конденсация возникает в струе за соплом или на последующем участке течения с малыми градиентами скорости. Для сверхзвуковых сопел переохлаждение также сохраняется полным. Оно достигает максимального значения ∆Тmax, при котором возникает интенсивная конденсация. При этом поток переходит в состояние, приближающееся к термодинамическому равновесию. При наличии перед ступенью слабоперегретого пара вначале в соплах расширяется перегретый, затем переохлажденный пар. В случае быстрого расширения влажного пара пар как бы затягивает свое состояние, т. е. является насыщенным переохлажденным. Тогда в соплах движется переохлажденный пар с водяными каплями, образовавшимися в местах термодинамического равновесия. Капли в любой точке по соплу имеют температуру выше температуры пара, они начнут испаряться, если их размер меньше критического.
Рис. III. 1. Процесс расширения пара в сопле: а — i, s; б — р, v координатах; в — расчет изменения параметров пара в области скачка конденсации
Эксперименты [8] по расширению и конденсации пара в соплах позволяют представить механизм конденсации для дозвуковых и сверхзвуковых потоков. Для дозвукового режима работы сопла на некотором расстоянии за соплом в свободной струе происходит равномерная конденсация. При сверхзвуковом режиме механизм конденсации меняется. Переход через звуковую скорость сопровождается значительным переохлаждением. После достижения предельного переохлаждения процесс расширения сопровождался лавинной (спонтанной) конденсацией с приближением процесса расширения к равновесному.
Процесс расширения слабоперегретого на входе в сопло пара можно наглядно представить в координатах р, v и i, s. Для одного из режимов испытанного расширяющегося сопла с параметрами пара на входе р0 = 14,4 МПа, Т0 = 392 К от точки О* (рис. III. 1, а, б) в зоне I пар расширяется как перегретый. Переход линии насыщения (точка S) переводит пар в переохлажденное состояние.
В уравнениях (III.2)—(IIΙ.5) при машинном расчете величины дифференциалов могут быть заменены малыми приращениями на
При решении системы уравнений (III.2)—(III.6) с учетом (III.7) приняты допущения о рассмотрении конденсации пара только на зародышевых каплях и об отсутствии скольжения между паром и рассматриваемыми каплями. Результаты расчетов для прямого сверхзвукового сопла (рис. III. 1, в) показывают, что на сравнительно коротком участке за горлом сопла (∆s = 80 мм) пар почти из полностью переохлажденного переходит в состояние, близкое к равновесному. При учете групп капель на том же участке сопла радиусы капель увеличивались от зародышевых 6х10-4 мкм до 25х10-4 мкм. Интенсивность ядрообразования за узким сечением на длине 50 мм сначала растет, затем, достигнув максимума, снижается. То же наблюдается для степеней перенасыщения и переохлаждения пара. Давление пара, снизившись до минимального значения 65 кПа в точке А (рис. III.1, а—в), на длине 45 мм увеличилось до 76,7 кПа. Суммарная влажность от нулевого значения после фазового перехода увеличилась до 3,3%. Однако в конце расширения пара в сопле при небольшом переохлаждении имелся небольшой дефицит влажности — около 0,2%.
По той же системе уравнений (III.2)—(III.6) под руководством И. И. Кириллова были выполнены расчеты изменения параметров пара и процессов конденсации (рис. III.2) для среднего сечения модели предпоследней ступени ЧНД мощной паровой турбины (d/l = 3,36). На входе в ступень на расчетном режиме пар сухой насыщенный. В каналах сопел НА расширение пара происходит почти при полном переохлаждении. При Мс = 0,8 на расстоянии 2 мм от горла сопла степень переохлаждения пара равнялось 22 К. Ей соответствовала сравнительно небольшая скорость ядрообразования — I = 6,9·1014 м-3-с-1.
Рис. III.2. Расчет процесса конденсации в первой ступени паровой экспериментальной турбины ЛПИ — модель 28-й ступени турбины К-300-240-1 ЛМЗ
При зародышевых
через сопло на рассматриваемом участке G, увеличилась до 1,5%. В рабочем колесе произошло интенсивное фазовое превращение. Степень переохлаждения в РК достигла минимума в 6,2°. Течение в РК дозвуковое (М изменилось от 0,22 до 0,73). На выходе из РК переохлаждение снова незначительно возросло до 7,5°. В осевом зазоре за РК переохлаждение снижалось. Новых групп капель не образовывалось. Степень влажности продолжала увеличиваться за счет конденсации на уже имевшихся каплях, особенно на наиболее многочисленной второй группе. Размер капель второй группы возрос до 3-10-3 мкм. Наиболее крупные капли первой группы увеличились до 1-10-1 мкм.
Экспериментами многих авторов в СССР и за рубежом было подтверждено образование зародышевых капель указанных выше размеров и их рост после возникновения фазового перехода. В последнее время были проведены прямые измерения роста капель при расширении вдоль сопла за зоной фазового перехода [34]. Измерения производились оптическим способом расшифровкой индикатрисы рассеяния узкого коллимированного монохроматического пучка света под малыми углами и под 90° к проходящему пучку. Теоретические основы метода были разработаны В. В. Шулейкиным, К. С. Шифриным. С помощью приборов, основанных на этом методе, в ЛПИ, МЭИ, ЦКТИ и КАИ было произведено измерение спектра капель в соплах, за диафрагмой и за ступенью влажнопаровой турбины.
Исследования [34] (рис. III.3) показали, что в сверхзвуковом сопле в начальный момент конденсации образуются капли радиусом 5—10 А. За короткий отрезок времени в пределах длины зоны конденсации, где кривая изменения давлений вдоль сопла имеет горизонтальный или слабонаклонный участок, размер образовавшихся капель возрастает на порядок до 50—100 А. Затем скорость роста замедляется и возрастает почти линейно. Увеличение степени влажности вдоль сопла, показанное для одного из режимов (рис. III.3), носило параболический характер. Для сравнения на том же рисунке пунктирной линией нанесено изменение степени влажности, рассчитанной в предположении равновесного расширения. Наибольшее изменение степени влажности вдоль сопла наблюдается в зоне наибольшей скорости роста капель.
Сравнение результатов расчета роста зародышевых капель в соплах (см. рис. III. 1) с экспериментами (рис. III.3) показывает, что рассчитанные и измеренные радиусы капель близки по величине. Расчет роста капель в ступени только за счет конденсации дал (см. рис. III.2) размер капель за соплом 25-10-4 мкм, за ступенью — 0,1 мкм. Как показали эксперименты и расчеты, такие мелкие капли под действием инерции почти не сепарируются на стенки профильных поверхностей. Следовательно, они не могут представить существенной опасности с эрозионной точки зрения. В то же время косвенные измерения сепарационными методами показывают наличие в проточной части турбины более значительной доли крупнодисперсной влаги, чем это следует из расчетов.
Рис. III.3. Измерение давления, размеров капель и влажности вдоль прямого сверхзвукового сопла (опыты Г. А. Мухачева и Ю. П. Метелина):
Наличие более крупной влаги измерено и в соплах Лаваля, установленных за рабочим колесом турбинной ступени, служащей для испытуемого сопла пароподготовляющей ступенью [45].
Из-за отсутствия прямых измерений изменения дисперсности влаги вдоль проточной части многоступенчатой турбины физическая картина и механизм образования более значительной доли крупнодисперсной влаги в ступенях, где по расчетам образуется после скачков конденсации и движется главным образом мелкодисперсная влага с радиусами меньше микрона, пока не ясны. Можно сделать предположения о существовании совокупности физических процессов, приводящих к укрупнению мелких капель в проточной части турбины. Процесс укрупнения может вызываться шестью основными видами коагуляции.
- Механический — слияние за счет эффективных столкновений капель в потоке.
- Гидродинамический — слияние за счет гидродинамических сил притяжения между близко движущимися в потоке каплями.
- Гравитационный — слияние капель за счет сил тяжести.
- Броуновский — слияние мелких капель за счет воздействия молекул пара на мелкие капли радиусом меньше 0,1 мкм.
- Электрический — слияние мелких капель за счет сил электрических зарядов капель.
- Турбулентный — слияний капель за счет турбулентной неравномерности движения пара и капель.
Турбулентные пульсации выражаются беспорядочным набором вихревых движений среды различных масштабов, разбиваемых на макро- и микрообласти [55]. Для турбулентных пульсаций характерно непрерывное распределение энергии пульсаций по частотам. Турбулентные вихри при их распаде являются источниками акустических колебаний, распространяющихся по всему турбулентному полю. Акустические пульсации влияют на процессы микротурбулентного смешения [55]. К турбулентной следует отнести коагуляцию, вызванную взаимодействием вихрей различного происхождения.
Турбулентное и вихревое движение потока при фазовом переходе будет сказываться не только на коагуляции мелких капель, а также на их образовании и росте в вихрях, образованных в проточной части при срыве потока с обводов входной части диафрагм, в кромочных следах, в винтовых шнурах вторичных потоков сопловых и рабочих каналов, в вихревых потоках за демпферными проволочными связями и т. д. В работе [45] показана возможность возникновения жидкой фазы в вихревых дорожках кромочных следов сопловых и рабочих решеток при существенно меньших переохлаждениях, чем требуется для начала фазового перехода во всей массе потока. Количество капель, образующихся в кромочных следах и служащих центрами конденсации, по оценке [45], на 2—3 порядка меньше, а конечные размеры на порядок выше, чем при фазовом переходе в ядре потока. Следовательно, за счет фазовых переходов в турбулентных вихрях и турбулентной коагуляции можно ожидать в пределах одной ступени появление более крупных капель, чем это следует по уравнениям фазовых переходов. По-видимому, турбулентная и вихревая коагуляции являются определяющей предпосылкой для осаждения укрупненных капель на поверхности сопловых и рабочих лопаток. Осаждение на профильные поверхности проточной части турбин мелких первичных капель происходит также путем турбулентной диффузии, термофореза, а также сепарации под действием подъемной силы, возникающей при высокочастотном вращении капель в пределах пристенного пограничного слоя. За счет перечисленных процессов из первичных очень мелких капель происходит формирование пленок, отдельных скоплений или ручейков влаги на поверхностях лопаток. При срыве в поток, а также при дроблении в осевых зазорах из этой влаги формируются эрозионноопасные потоки крупнодисперсной влаги.
