РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГИ И ДИСПЕРСНОСТЬ КАПЕЛЬ ПО ШАГУ СОПЛОВОГО КАНАЛА. РАЗГОН КАПЛИ В КРОМОЧНОМ СЛЕДЕ
До недавнего времени существовало общепринятое мнение о почти полной сепарации капельной влаги при ее прохождении через каналы решетки НА. Оно сложилось на основе визуальных наблюдений за движением увлажненного воздуха и влажного пара в каналах плоских решеток и за диафрагмами влажнопаровых ступеней, при которых фиксировался выделявшийся молочно- белый кромочный след со значительной концентрацией крупнодисперсной капельной влаги. Это мнение укрепляло отсутствие прямых измерений распределения степени влажности за сопловыми каналами, а также выполнение расчетов по движению капельной влаги в криволинейных каналах в предположении полного осаждения капель при соприкосновении со стенками каналов. В результате таких расчетов получалась почти полная сепарация влаги на вогнутую поверхность канала. Исследования плоских турбинных решеток при работе на паре, увлажненном крупнодисперсной влагой, проведенные в БИТМ Р. М. Яблоником и В. В. Лагеревым в 1959—1963 гг., показали, что при крупнодисперсной влаге основная ее часть попадает на вогнутую поверхность лопатки и движется по ней в виде пленки и бинарного парокапельного слоя. В бинарном слое и пленке было сосредоточено до 2/3 влаги, проходящей через канал, ее основная масса. Немного позднее в 1964—1966 гг. были проведены исследования плоских решеток на влажном паре в лаборатории турбиностроения ЛПИ [21]. Примененная система тонкой подготовки влажного пара, позволявшая получить на входе в решетку дисперсность влаги с модальными радиусами капель порядка 3—5 мкм, а в некоторых опытах — до 10 мкм, близкую к измеренной в ЧНД натурных и экспериментальных турбин с естественным получением влажного пара, дала возможность получить картину распределения влажности по ширине канала в случае безударного поступления пара и влаги на входе в канал. При исследованиях ЛПИ для измерения влажности за плоской решеткой был применен компактный электрокалориметр. Исследования ЛПИ показали, что в зависимости от конфигурации канала, дисперсности влаги на входе в решетку, ее режима работы степень влажности по шагу решетки неравномерна. Значительная концентрация влаги в кромочных следах и в бинарном парокапельном потоке около профильной поверхности обусловила повышение степени влажности в кромочных следах до 2—2,2 от начальной перед решеткой (рис. III. 11, а). Далее по шагу от вогнутой к выпуклой поверхности степень влажности снижалась, достигая минимальной величины 0,75у0 на расстоянии 0,12 от выпуклой поверхности лопатки. Измерениями был замечен рост средней степени влажности за решеткой с уменьшением степени влажности перед решеткой, т. е. с увеличением степени влажности перед решеткой количество влаги, сепарирующейся на профильные поверхности лопатки, увеличивалось. В наших экспериментах в зависимости от режима работы канала и создаваемой на входе дисперсности жидкой фазы в исследованных решетках листовых профилей [24] на вогнутую поверхность лопаток сепарировалось от 12 до 50% влаги. Меньшие значения получались при более тонком распыле влаги на входе в канал. Значительное, иногда до 88%, количество влаги проносилось через канал без соприкосновения с лопатками.
В 1966—1971 гг. были проведены эксперименты в МЭИ по изучению движения влаги в плоских турбинных решетках телесных профилей.
Изменение степени влажности по шагу канала производилось емкостным методом. Дисперсность влаги определялась методом отпечатков с фиксацией времени экспозиции улавливающей пластины в потоке пара. Результаты измерений влажности по шагу решетки (рис. III. 11, а, 4, 5) качественно совпадают с опытами ЛПИ только в области кромочных следов.
Рис. Ш.11. Изменение степени влажности и дисперсности влаги по ша^у за решеткой НА (а) и дисперсность влаги (б) перед исследуемой решеткой:
Вдоль канала по шагу в опытах МЭИ было измерено пиковое возрастание степени влажности. Авторами опытов полученное местное возрастание влаги объяснено сложным взаимодействием капельных потоков крупнодисперсной влаги. Измерение дисперсности влаги позволило оценить крупность капель вдоль шага канала (рис. III.11, а, 6—8). Отраженные и исходные капли радиусом 25 мкм были обнаружены в потоке на дозвуковых режимах по всему шагу почти до выпуклой поверхности. Существование более крупных капель радиусами 50—80 мкм, образованных за счет срыва с поверхности пленки, покрытой капиллярными волнами, было измерено по шагу на длине t = 0,65 от вогнутой поверхности. В кромочных следах были измерены капли радиусом до 150—155 мкм. Изменение модального радиуса по шагу (рис. III.11, а, 9) выявило пик на расстоянии 0,6 шага от вогнутой поверхности с наибольшим радиусом 65 мкм. Вероятная причина появления пика — наложение на поток капель, образовавшихся из пленки на вогнутой поверхности, потока капель, сорванных с выпуклой поверхности.
В экспериментальной турбине ЛПИ с полуторной ступенью (НА плюс РК плюс НА следующей ступени) методом рассеяния под малыми углами было измерено распределение дисперсности влаги в потоке за НА на расстоянии хорды сопловой лопатки от выходных кромок по оси турбины. Результаты измерений определили кривые дисперсности капель на расчетном режиме работы НА, близкие к кривым нормального закона Гаусса (рис. III. 11, б, 10) [15]. Размеры капель в потоке, полученные в опытах ЛПИ на полуторной ступени и в плоской решетке, того же порядка, что и в опытах ЦКТИ, ХПИ, ХТГЗ и «Эшер—Висс».
Опытами МЭИ были определены кривые дисперсности капель в ядре потока над парокапельным слоем на вогнутой поверхности лопатки (рис. III.11, б, 12). При модальном радиусе 20 мкм максимальный радиус капель для дозвуковых режимов работы решетки составлял около 50 мкм. Распределение радиусов капель в парокапельном слое при переходе к дозвуковым режимам работы решетки (рис. III.11, б, 11, 13, 14) выявило двухпиковый характер изменения дисперсности влаги. С уменьшением Mclt модальный размер капель увеличивался, например, при Mc/t= 0,29 составлял 40 мкм, против 20 мкм и одинаковом характере изменения дисперсности при Mc1t = 0,66. В то же время измерения на границе кромочного следа и парокапельного потока (рис. II 1.11, б, 15) при Mc1t = 0,72 показали, многопиковую кривую распределения дисперсности с ярко выраженным модальным радиусом 67 мкм. Измерения производились на расстоянии от кромки по потоку 22 мм и от вогнутой поверхности на t = 0,14, при этом испытанная решетка была выполнена с половинным шагом.
Кромочный след лопаток НА по исследованиям многих авторов является носителем крупных капель. Дисперсность капель в начальном участке кромочного следа была исследована в опытах ЛПИ. На расстоянии вдоль следа до 7 мм наблюдались капли радиусом 150—200 мкм, которые далее распадались.
В опытах МЭИ (рис. III. 11, б, 16, 17) было получено распределение радиусов капель на расстоянии 22 мм по следу с максимальным размером капель более 140—160 мкм при числах Mc1t = 0,65—0,73.
Несомненно, что кромочный след является источником эрозионноопасных капель. Однако, как видно из измерений дисперсности влаги за сопловым каналом, в рабочие лопатки, кроме кромочного следа, выносится из канала НА еще несколько эрозионноопасных потоков крупных капель (рис. III. 17).
Рис. III.12. Скорость пара в кромочном следе по (III.31) и скорость модальной капли вдоль следа при 5%; Мc1t = 0,95; рг = 98 кПа:
1, 2— средняя и минимальная относительные скорости пара в следе; 3 — изменение спектра скорости пара в следе на различных расстояниях вдоль следа; 4, 5 — разгон (с') модальной капли вдоль следа минимальной и средней скоростями пара
Расчетные уравнения движения капли в кромочном следе на участке As вдоль оси следа, если ее скорости в начале и конце.
Расчет скорости пара в следе вдоль его оси и изменение скорости по оси и поперек следа на различном удалении от выходной кромки лопатки НА, проведенный на ЭЦВМ, показан на рис. III. 12, 1, 3. Кривые 4 и 5 (рис. III. 12) соответствуют изменению скорости модальной капли разгоном средней скоростью пара в следе и минимальной скоростью при параметрах пара за решеткой у0 = 5%, Mclt = 0,95, рt = 98 кПа. При расчете разгона капли в кромочном следе выбирались малые участки ∆si вдоль следа. По кривой скорости пара в следе для каждой абсциссы и ординаты следа определялась скорость пара в следе по (III.31). Затем по (III.30) находилась скорость капли в конце участка ∆si. Найденная скорость являлась начальной скоростью капли на следующем ί + 1 участке. Последовательный расчет вдоль следа дает возможность получить абсолютную скорость капли вдоль осевого зазора между НА и РК.
