По опыту эксплуатации влажнопаровых ступеней ЧНД наибольшей эрозии подвержены входные кромки рабочих лопаток. Поэтому представляют большой практический интерес изучение физической картины движения капельных потоков у входных кромок лопаток РК, их взаимодействие с поверхностями рабочих лопаток и образование отраженных потоков влаги.
На выпуклую поверхность входной кромки влага из каналов НА поступает под различными отрицательными углами атаки. По топографии эрозии многочисленных обследованных эродированных лопаток можно выделить несколько концентрированных капельных потоков, поступающих на рабочие лопатки. Крупнодисперсная влага кромочного следа поступает в относительном движении на сравнительно узком участке по ширине входной кромки, так как каждая лопатка экранирует сзади стоящую лопатку. Можно предположить, что кромочная влага вызывает эрозию входной кромки на небольшой ширине, например, у лопаток турбин К-50-90 она равна 2,5—3 мм (см. рис. 1.16), у лопаток мощной паровой турбины (см. рис. VI.5) в зоне 3 — на ширине 8—10 мм, у лопаток тихоходной турбины К-50-29-1 (см. рис. VI.8, а) — на ширине 3—5 мм.
Часть капельной влаги, разогнанной до минимальной скорости в осевом зазоре, ударяется об обвод входной части кромки лопатки РК и далее движется почти в плоскости вращения входных кромок. Этот поток влаги вызывает очень узкий, более глубокий эрозионный след по входной кромке лопатки (см. рис. 1.16, 1.17).
Поверхность входных кромок рабочих лопаток влажнопаровой турбины покрыта тонкой пленкой влаги. После образования кратеров, бороздок и других следов эрозионного износа они заполняются влагой. Удар капель о пленку, в углубления, заполненные влагой, или о твердую поверхность приводит к разбрызгиванию влаги. При разбрызгивании образуются дополнительные потоки капель, часть которых движется в каналы рабочих лопаток, а часть — против потока в направлении выходных кромок лопаток НА. Спектр размеров капель, отраженных при встрече с рабочей лопаткой, и их траектории в сильной степени зависят от начальных условий соударения, режима работы ступени, конфигурации профиля лопатки РК и степени эрозионного износа поверхности входной кромки. Анализ условий входа капельной влаги в рабочее колесо показывает, что на большей длине по высоте рабочих лопаток ЧНД современных влажнопаровых ступеней по выпуклой стороне входной кромки удар капель о ее поверхность близок по направлению к нормальному. Часть скругленной поверхности входной кромки или место перехода скругления носика профиля в обвод выпуклой поверхности может попасть под воздействие полной величины относительной скорости капли, направленной к указанным местам обвода нормально. По мере удаления от входной кромки по ширине рабочей лопатки угол встречи капли с поверхностью лопатки и нормальная составляющая скорости соударения уменьшаются.
Различные начальные условия соударения приводят к возникновению сложных потоков отраженных капель полидисперсного спектра. Входящие в состав спектра отраженные капли оказывают значительное влияние на эрозионную стойкость ступени. При ударе потока капель о поверхность рабочей лопатки по экспериментам ЛПИ можно различить три основных потока отраженных крупных капель: первый — вдоль поверхности соударения, второй — под углом 5—15° к поверхности и третий — под большими углами к поверхности, вплоть до 90°. Первый поток несет наиболее крупные капли, выбиваемые первичными каплями из пленки, покрывающей поверхность лопатки. Размер капель первого потока и скорость разлета по экспериментам ЛПИ может превосходить размер первичных капель, ударяющихся в пленку. Замечена тенденция роста радиуса отраженных капель при уменьшении угла между касательной к поверхности соударения и направлением движения первичных капель. Второй капельный поток состоит из капель меньшего размера, чем первичные, скорость разлета капель также меньше скорости подхода к лопатке первичных капель. Третий поток включает капли несколько больших размеров, чем во втором потоке.
Особенность образования и интенсивности третьего потока на лопатках с достаточно глубокой бороздчатой или кратерной эрозией состоит в повышении интенсивности потока за счет увеличения вылета отраженных капель в направлении подлета первичных капель. При этом боковые поверхности кратеров и бороздок служат направляющими для вылета отраженных капель. Физическая картина образования отраженных капель была исследована в ЛПИ с помощью скоростной киносъемки на пародинамическом стенде ПС-1 и в специальной вакуумной трубе с киносъемкой удара падающей капли на оребренную поверхность.
Составленная схема образования отраженных потоков была использована для расчета скорости и траекторий движения влаги в осевом зазоре между НА и РК и в канале рабочего колеса. В качестве примера расчета скорости и траектории были выполнены для последней ступени турбины ЛМЗ типа К-50, К-100 с длиной рабочей лопатки 665 мм. В пяти сечениях по высоте ступени был рассчитан разгон крупнодисперсной влаги за направляющими лопатками по методике, изложенной в данной главе. По результатам расчетов для капель различных радиусов были построены треугольники скоростей и определено изменение нормальной составляющей взаимодействия капель с выпуклой поверхностью в осевом направлении вдоль канала.
Начальная скорость отраженных капель периферийных сечений в соответствии с данными экспериментов ЛПИ для первичных капель, имевших угол взаимодействия с поверхностью рабочей лопатки, близкий к 90°, принималась равной 0,4 от нормальной составляющей взаимодействия. Рассматривались траектории капель 5—25 мкм. Для отраженных капель, двигающихся под большими углами к поверхности соударения, начальные скорости принимались равными 0,2 от нормальной составляющей. Условия формирования отраженного потока капель в прикорневой области значительно отличаются от условий в остальных вышележащих сечениях. Крупные капли радиусом более 35—40 мкм в прикорневых сечениях соударяются с выпуклой поверхностью входной части лопатки под острыми углами. В этом случае касательная составляющая относительной скорости соударения больше нормальной и она определяет направление и скорость отраженных и выбитых из пленки капель. Для довольно значительной части спектра крупных капель радиусом менее 20—25 мкм при встрече с выпуклой поверхностью лопатки касательная составляющая направлена в сторону движения пара в канале РК.
Траектории движения отраженных капель в канале РК были рассчитаны по (III.13) с переходом к относительным скоростям. Траектории движения капель радиусом 5—25 мкм в среднем сечении рабочей лопатки последней 18-й ступени турбины К-50-90-2 ЛМЗ при работе ступени на расчетном режиме приведены на рис. III.13. Отраженные от выпуклой поверхности крупные капли достигают вогнутой поверхности канала и вычищают ее от отложений (штриховая линия контура профиля).
Аналогичная картина вычищенных поверхностей на последней лопатке ЧНД мощной паровой турбины была выявлена при обследовании на турбине во время ее ревизии (см. рис. II, 3, III, а—в).
На рис. III. 13 показано изменение ударной составляющей скорости капель на входной части выпуклой поверхности входной кромки профиля рабочей лопатки (кривая 7) и на вогнутой поверхности выходной кромки профиля рабочей лопатки (кривая 8). Как следует из расчета, ударные составляющие от отраженных капель ниже пороговых. Поэтому под действием отраженных капель не возникает эрозии вогнутой поверхности рабочих лопаток.
Капли влаги, сброшенные при ударе в осевой зазор, между НА и РК будут двигаться против потока пара.
Рис. III.13. Траектории движения отраженных капель в осевом зазоре 18-й ступени турбины К-50-90-2 ЛМЗ для нормального режима работы ступени:
1 — 25 мкм; 2 — 20 мкм; 3 — 15 мкм; 4 — 10 мкм; 5 — 7,5 мкм; 6 — 5 мкм; 7? 8 — нормальные составляющие скорости удара капель соответственно на выпуклой и вогнутой поверхностях профиля лопатки РК
Как показали расчеты, часть капель, радиус которых менее 17—15 мкм, разворачивается потоком пара, выходящим из НА, и снова попадает в каналы РК- Более крупные капли достигают выпуклой поверхности лопаток НА в области косого среза сопел. Эти капли при ударе вычищают поверхность лопаток НА от отложений (рис. I. 11).
При расчете траекторий обратного движения капель (кривые 1—5) было использовано уравнение (III. 10). Для решения плоской задачи на ЭЦВМ решались два первых уравнения (III. 13).
