При сбегании с поверхностей лопаток пленка конденсата дробится на крупные капли. Разгон этих капель потоком пара определяет эрозионное воздействие влаги на рабочие лопатки и потери энергии. Поэтому представляет практический интерес изучение дробления пленок, определение размеров капель и их разгона в кромочных следах. Обычно механизм образования капель из влаги, сходящей с кромок сопел, строят на основе экспериментальных и теоретических работ по дроблению жидкости, истекающей из отверстий или форсунок. Для них имеется обширный теоретический и экспериментальный материал, относящийся к механизму образования и дробления капель. Этот материал целесообразно использовать при изучении образования капель на сходе пленок влаги с кромок направляющих лопаток. В связи с этим возникает задача сравнения опытных данных, полученных для форсунок и турбинных направляющих аппаратов.
Изучение дробления пленок влаги на сходе с сопловых кромок производилось на пародинамическом стенде с помощью скоростной киносъемки [12]. В рабочем участке стенда устанавливались сопловые решетки листовых и телесных профилей [26]. Съемка производилась скоростной кинокамерой СКС-1М с частотой 3700—4500 кадров в секунду при различных степенях влажности перед решеткой для дозвуковых, звуковых и сверхзвуковых режимов истечения. Освещение при киносъемке производилось кинолампами мощностью 300—400 Вт, при фотосъемке — специальным искровым блицем с длительностью освещения около 10-6 с. Влажность на входе в решетку менялась от 0 (насыщенный пар) до 10%. Числа Мы и Rec1 изменились соответственно в пределах от 0,5 до 1,67 и (1,65-4,2) 105. Давление за решеткой при различных режимах менялось от 6 до 25 кПа.
В результате изучения полученных кинофильмов была выяснена картина схода пленки с кромки лопатки и дробления влаги в кромочном следе. На кромке лопатки происходило постепенное накопление влаги. Срыв наступал после достижения достаточного по массе количества конденсата.
С кромки происходило пульсирующее стягивание в кромочный след и возвращение назад на лопатку пленки влаги. С набухшей пленки отделялся язычок влаги. За время (1-2) 10-3 с язычок вытягивался вдоль кромочного следа на длину 2—3 мм, после чего с его кончика отделялась капля радиусом 0,1—0,5 мм. Иногда при околозвуковых и сверхзвуковых режимах работы сопел от перешейка, образовавшегося при формировании головной капли, отделялось несколько мелких капель из нескольких язычков, возникавших из одного вздутия пленки. При околозвуковых и сверхзвуковых скоростях за соплами максимальная длина язычков достигала 3—4 мм. Иногда их длина составляла всего лишь 0,5—1 мм.
Частота схода пленки с сопловой кромки в значительной мере определялась начальной влажностью. С увеличением начальной влажности количество сходов росло. Характер же схода влаги оставался одинаковым при малых и больших степенях влажности перед решеткой для околозвуковых и сверхзвуковых режимов. Наблюдались следующие этапы образования капель: накопление пленки, вытягивание язычка, дробление головной его части, стягивание оставшейся части язычка к кромке, разгон и дробление капли в кромочном следе. Лишь при небольших дозвуковых скоростях (Мл = 0,5) и начальной влажности у = 5—6% изредка наблюдалось изменение картины схода влаги. Сход пленки в этом случае происходил в виде отрыва отдельных кусков или сплошных лент влаги длиной 7—8 мм. Картина последовательного схода язычка влаги для дозвукового режима течения (Мс1/ = 0,78, р1 = 7кПа, у0 = 5%) показана на рис. III.9, а.
Рис. III.9. Картина схода и дробления влаги с выходных кромок лопаток НА: а — сход влаги с модельной лопатки (20 последовательных кадров кинофильма); б — схема съемки; в — сход влаги с лопаток натурной диафрагмы [65]:
1 — световод подсветки; 2 — выходная кромка; 3 — застекленное окно; 4 — призма; 5 — световод к кинокамере; 6 — скопление влаги в области вторичного течения; 7 — предпочтительные места схода влаги; 8 — места отрывных течений, содержащие влагу; 9 — граница поля зрения в перископ
Накапливание и сход влаги начиналось у края лопатки в местах схода с выходной кромки вторичного шнура. Затем сход язычка передвигался по выходной кромке к другому краю (кадры ХУ—XX). Частота сходов язычков лежала в пределах 250—300 Гц.
Рис. III. 10. Путь и скорость капли в кромочном следе сопловой лопатки (а); кинограмма (б) образования из язычка (I), разгон капли по одиннадцати кадрам (II—XII) и дробление капли (XIII); 1— путь и скорость капли по эксперименту; 2 — расчетная скорость капли по (III.30); при у0 = 2,2%; Мс1; = 1; р1 = 10 кПа
Подобное явление было отмечено в натурной турбине [65] при фото- и киносъемке через специальный перископ. Непрерывное сбрасывание влаги в виде капель и сгустков происходило в определенных предпочтительных местах вдоль выходной кромки. По выходной кромке и предпочтительным местам срыва влага двигалась в направлениях и к периферии, и к корню лопатки.
Скорости движения капель в кромочном следе непосредственно после отрыва от сплошной части пленки составили 0,3—0,5 м/с. На небольшом расстоянии от кромки вдоль следа капли разгонялись до скорости 3—4 м/с, а затем дробились. На кадрах кинофильма (рис. III. 10, б) четко видна капля, отделившаяся от язычка несколько раньше. На последующих кадрах капля распадается. При этом четко очерченные края капли расплываются, и она превращается в темное размытое пятно, быстро исчезающее из поля кадра.
На рис. III. 10, а показаны путь и скорость капли на отрезке от 2,3 до 5,3 мм по следу от кромки лопатки, снятой по пяти последовательным кадрам кинофильма для одного из режимов. На двух последних кадрах капля деформировалась, дробилась и исчезала из поля кадра.
Для расчета движения капель после схода с выходных кромок: сопловых лопаток особую роль играет определение размера наиболее крупных капель в потоке пара. Количественно условия дробления принято характеризовать величиной критерия Вебера, представляющего отношение динамического напора среды к силам поверхностного натяжения жидкости. Дробление сгустков, крупных капель и язычков влаги по экспериментальным данным наступает при достижении критической величины WeKP, которая разными авторами получена в пределах 10—15. Расчет устойчивости формы капли в полете [49] дает значение WeKP = 14. Максимальный радиус капли при распыливание влаги, сходящей с выходных кромок лопаток НА, равен
лопаток, применительно к нашим экспериментам. В работе [55] была получена зависимость среднего радиуса капли ξм от критериев, определяющих явление распыливания. Для наших условий она запишется следующим образом
Формулы (III.26), (III.28), (III.29) могут быть использованы для определения величин максимального и модального радиусов капель в осевом зазоре между НА и РК, а также для оценки длины сплошной части сходящей струи в местах концентрации влаги за выходными кромками сопловых лопаток.
