Поступающая из каналов НА влага в ступенях ЧНД, подверженных сильной эрозии, а также капельная влага, образованная при ударе и разбрызгивании, в основном является крупнодисперсной. Приведенные выше расчеты показали, что капли радиусом более 0,5 мкм, т. е. подавляющая доля влаги в потоке промежуточной влажнопаровой ступени, при прохождении осевого зазора между НА и РК поступают на лопатки РК со значительными отрицательными углами атаки, взаимодействуют с выпуклой поверхностью рабочих лопаток, частично дробятся и отражаются в поток, частично оседают в виде пленок и струек на выпуклой поверхности лопаток. При ударе о вогнутую поверхность лопаток НА концентрированного потока капель, сорванного с выпуклой поверхности второй лопатки канала НА, может образоваться поток капель, попадающий в относительном движении на вогнутую поверхность каналов РК.
Осевшая на поверхность рабочей лопатки влага под действием сил трения, инерционных, аэродинамических и гравитационных сил движется по профильным поверхностям с положительной радиальной составляющей скорости перемещения частиц влаги. Теоретически задача перемещения частицы по вращающейся пластине без учета сил трения была решена Е. Миллисом [76], Е. Кржижановским 173] и применительно к профильным турбинным лопаткам Ф. В. Казинцевым [7]. С учетом силы трения в предположении пропорциональности ее относительной скорости движения влаги задача движения материальной частицы по плоским поверхностям вращающейся турбинной лопатки была решена И. И. Кирилловым и Р. М. Яблоником [23].
В безразмерном виде проекции вектора ускорения капли на оси: х, направленную по касательной к поверхности лопатки перпендикулярно радиальной оси r, иr равны:
Профильные поверхности рабочей лопатки, выпуклую и вогнутую, можно рассматривать состоящими из ряда вписанных в профильные поверхности пластин с различными углами установки р. Решением уравнений (III.33) для каждой пластины можно построить траектории движения капель по поверхностям лопатки. При решении уравнений (III.32), (III.33) необходимо выбрать значение коэффициента k'. В наших расчетах [55,22] значение k' было выбрано равным 0,5. При этой величине коэффициента пропорциональности было получено достаточно хорошее совпадение экспериментальной кривой распределения влажности по высоте ступени с расчетной кривой распределения, полученной пересчетом схода влаги с выходной кромки рабочей лопатки по траекториям. Попытки экспериментального определения коэффициента пропорциональности по сравнению расчетных и экспериментальных траекторий на поверхности плоского вращающегося диска были затруднены нечеткостью вида траекторий с увеличением угловой скорости вращения.
Кроме того, при движении по поверхности вращающегося диска, помещенной в центре диска капли часть ее массы, остается на диске, следовательно, при расчете траекторий следует рассматривать движение точки с переменной массой, что значительно усложняет решение. С увеличением угловой скорости диска траектории капель по его поверхности получаются с малой искривленностью в сторону вращения, поэтому выбор численного значения коэффициента пропорциональности по эталонной расчетной сетке кривых также допускает большие погрешности. При анализе решения уравнений (III.33) в [7,23] показано, что капли влаги, попавшие на выпуклую и вогнутую поверхности лопатки РК, установленную под углом β1 < 90°, под действием кориолисовой силы будут увлекаться к входной кромке. На поверхностях с установкой под углом 90° траектории должны быть близки к радиальным, а для поверхностей, примыкающих к выходной кромке (β1>90°), траектории капель отклоняются к выходной кромке. Следовательно, в прикорневой области лопатки, лежащей слева от кривой АВ для вогнутой и A ±B для выпуклой поверхности (рис. III. 14), осевшие капли преимущественно должны двигаться к входной кромке. Дойдя до входной кромки, капля в зависимости от геометрии и условий обтекания потоком входной кромки или будет сброшена с лопатки в поток или перейдет с вогнутой на выпуклую поверхность в точке В, для которой β1≈90°. Некоторые капли или струйки, движущиеся по выпуклой и вогнутой поверхностям, могут в прикорневой области двигаться в сторону входной кромки, затем в области точки В изменить направление движения и двигаться к выходной кромке.
Определяющее значение на форму и вид траекторий капель, кроме геометрии лопатки, оказывают начальные условия попадания капель на поверхность лопатки —
и т. д.
Начальные условия попадания капель на лопатку определяются выбором эрозионноопасного потока, поступающего из каналов НА. Наиболее эрозионноопасными являются кромочный поток капель и отраженные потоки, образующиеся у входных кромок рабочих лопаток. Большое эрозионное воздействие оказывает периферийный концентрированный поток. Порядок расчета начальных условий входа капель в рабочее колесо был приведен выше.
Рис. III. 14. Движение влаги в ступени: а — схема движения и следы движения по отложениям на вогнутой (б) и выпуклой (в) сторонах рабочей лопатки 16-й ступени турбины К-50-90-2 (90 000 ч):
1 — зона сильных отложений; 2 — место сброса влаги с входной кромки; 3 — зона слабой эрозии; 4, 5 — зоны сброса влаги против потока и по потоку. RS, PQ — траектории движения влаги от скрепляющих проволок
В связи с большим влиянием начальных условий на траектории капель следует еще раз подчеркнуть разницу в результатах расчетов для натурной и модельной проточной части, смоделированной геометрически в определенном масштабе. Как было показано [5], на среднем диаметре последней ступени турбины ЭТП-Н ЛМЗ при расчетных путях капель для натуры и модели соответственно 240 и 80 мм увеличение скорости разгона капли радиусом 15 мкм в натурной ступени в конце осевого зазора по сравнению с модельной ступенью (масштаб моделирования 1 : 3) было в 1,5 раза больше. Для капель радиусами 25, 50 и 100 мкм это соотношение примерно сохраняется. Для периферийного сечения рабочей лопатки разница в разгоне капель 15 мкм и более крупных — до 100 мкм — возрастает до 1,55—1,65. В результате этого, например, для корневого сечения начальная скорость капель 15 мкм для модели — ωх0 = —22 м/с, для натуры в сходственной точке — ωх0 = +48 м/с. Из расчетов следует, что траектории в модельных и натурных, ступенях при одинаковых параметрах отличаются.
В экспериментах МЭИ было установлено, что часть жидкости в точке В срывается с лопаток, пересекает осевой зазор и попадает у периферии ступени на лопатки НА той же ступени. При ударе капель о поверхность лопатки РК и разбрызгивании влаги ее часть попадает на лопатки НА, отражается от лопаток НА, ударяется о рабочие лопатки и снова попадает на направляющие лопатки в районе косого среза, т. е. происходит многократное отражение влаги (траектории DEFGH). В периферийной части лопатки безбандажной ступени попавшая на профильные поверхности влага (траектории KLM) срывается с периферии и отражается при ударе о периферийную стенку корпуса, отражается от нее и, снова взаимодействуя с лопатками (траектории MNO), приводит к их эрозии. На входных и выходных кромках рабочих лопаток имеются узкие площадки с углом ориентировки β1; равным 90°. По этим площадкам может быть осуществлено движение влаги вдоль кромок к периферии ступени. Сброс этой влаги на обвод ступени вызывает его эрозию (см. рис. 1.3).
Физическая картина движения влаги, составленная на основе расчетов и экспериментов в лабораторных условиях, подтверждается результатами обследования турбин, эксплуатируемых на электростанциях. В качестве примера на рис. 111.14, б, в приведены следы отложений на вогнутой (б) и выпуклой (в) сторонах рабочей лопатки 16-й ступени турбины К-50-90-2 ЛМЗ, проработавшей более 90 000 ч. Сброс влаги с входной кромки (рис. III.14, в, 2) привел к появлению зоны слабой эрозии 3 шириной 5—6 мм, протяженностью 35—40 мм в периферийной части лопаток (зона 3). На вогнутой и выпуклой поверхностях лопатки просматриваются зоны сброса влаги против потока 4 и по потоку 5. Рассмотренная ступень имела периферийный бандаж, поэтому картина следов отклонений у периферийного конца носила его влияние.
Траектории движения в отдельной ступени и в группе ступеней неоднократно рассчитывались по формулам (III.33) для различных турбинных ступеней и целой влажнопаровой проточной части [22,5]. Полученные траектории сравнивались со следами движения влаги. В качестве примера был выполнен расчет движения влаги по вогнутой и выпуклой поверхностям лопаток предпоследней 17 и последней 18-й ступеней турбины К-50-90-2 ЛМЗ. По тепловому расчету на среднем диаметре на входе в 17-ю ступень параметры пара р0 = 48,4 кПа; у0 = 7%; на входе в 18-ю ступень р0 = 17,3 кПа; у0 = 10,2%. За 18-й ступенью р0 = 3,5 кПа; у2 = 14,6%.
Рис. III. 15. Вид на выходную сторону рабочих лопаток 18-й ступени при работе турбины:
1 — повышенная концентрация влаги в потоке; 2 — бандажные связи; 3 — задняя сторона диска РК
Траектории движения капель по выпуклой и вогнутой поверхностям рабочих лопаток 17-й ступени были рассчитаны на ЭЦВМ «Минск-22» для широкого диапазона капель, ξ= l-15 мкм, при этом коэффициенты разгона изменялись от ~ 1 до 0,4. Угол β1 по высоте лопатки изменялся от 18 до 94°. Соответственно имели свои углы установки вписанные в первые два участка плоские пластины. Расчеты показали, что траектории движения влаги на входной части лопатки в основном направлены к входной кромке. На участках, примыкающих к выходной части лопатки, траектории заканчиваются на выходной кромке. Общий характер направления расчетных траекторий совпадает со следами течения влаги по лопаткам и с зонами отложений на вогнутой стороне лопаток.
Аналогичный расчет для пяти сечений по высоте был выполнен для рабочей лопатки 18-й ступени. Угол β1 изменялся по высоте ступени. Как и для лопатки 17-й ступени, траектории крупных капель на входной части лопатки имеют направление к входной кромке. У периферийного конца все траектории имеют наклон в сторону выходной кромки. Значительное количество влаги по поверхности лопатки в периферийных сечениях сбрасывается через верхнее торцовое сечение. По плотности траекторий капель было рассчитано распределение влаги по высоте ступени. Кривая распределения влаги имеет два максимума: один у периферии, другой между сечениями 0,5 и 0,75. На рис. III. 15 приведена фотография верхней половины выходного патрубка с видом на выход из последней 18-й ступени при работе турбины на номинальном режиме. Обе области максимума влаги четко видны на фотографии, особенно выделяется зона повышенного содержания влаги между верхней и средней бандажными связями.
Другой пример расчета траекторий был выполнен для двух последних ступеней влажнопаровой турбины АЭС, имевших на среднем диаметре перед предпоследней и последней ступенью параметры р0 = 25 кПа, у0 = 8,7%; р02 = 13 кПа; у02 = 11%. Степень влажности за последней ступенью 13%. Периферийные окружные скорости ступеней равнялись соответственно 290 и 315 м/с, т. е. были сравнительно невысокими. Начальные условия поступления влаги определялись по разгону капельной влаги кромочного потока капель. Как и для лопаток турбины К-90-50-2, на поверхностях, примыкающих к входной кромке с углом установки β1< 90°, траектории влаги в основном отклонились к входной кромке. Однако в зависимости от начальных условий поступления влаги и с входной части при острых углах β1 капли могут переходить на поверхности, примыкающие к выходной кромке.
Движение влаги по рабочим лопаткам можно рассмотреть последовательно от ступени к ступени в многоступенчатой турбине. Такой расчет был выполнен для модельного четырехступенчатого отсека ЧНД турбины ХТГЗ Т-100-90, ранее тщательно исследованного. Результаты исследования отсека интересны еще и тем, что ЧНД турбины Т-100 был использован для одной из первых отечественных турбин типа К-70/75-30 для АЭС [43] и для одноконтурной установки типа ВК-50 [13] с турбиной К-70-13.
На рис. III. 16 показана схема проточной части, где рабочие лопатки представлены в виде разверток выпуклых поверхностей. Движение влаги по вогнутым поверхностям не рассматривалось. В осевом зазоре первой ступени распределение влаги по высоте лопатки принималось равномерным. Для последующих ступеней распределение влаги определялось движением ее по рабочим лопаткам впереди стоящих ступеней. В осевых межступенных зазорах движение капель рассчитывалось по выше приведенной методике с построением траекторий в трех проекциях и определением места попадания влаги на входную часть лопаток последующего НА. Движение пленок и капельной пелены по направляющим лопаткам принималось по коническим поверхностям в соответствии с картиной, наблюдаемой в модельных и натурных турбинах.
Анализ результатов расчета и подсчет распределения влаги по высоте ступени позволяют сделать несколько важных выводов. У периферии ступеней по расчетам получается зона максимальной концентрации влаги. Направления векторов движения влаги по лопаткам показывают, что в периферийную систему сепарации должно поступать мало влаги и ее работа будет малоэффективной. Это было подтверждено опытами Ю. Ф. Косяка. На рис. III. 16 приведено экспериментально измеренное распределение влажности за последней ступенью с помощью изотопного зонда ХПИ 1 (опыты А. С. Лагунова, Л. П. Байвеля) и зонда ХТГЗ3 (опыты Ю. Ф. Косяка) 1.
1 Ю. Ф. Косяк. Канд. дисс. ХПИ, 1970 г.
Рис. III. 16. Схема проточной части модельного отсека ЧНД турбины Т-100-90 ХТГЗ с траекториями движения влаги по выпуклым поверхностям рабочих лопаток и распределением влаги по высоте за последней ступенью
Кривая 2 характеризует расчетное распределение влажности по высоте, полученное по траекториям движения влаги. Совпадение экспериментальных и расчетных результатов можно считать удовлетворительным, если принять во внимание завышенное значение данных зонда ХТГЗ, ориентированного по максимальному расходу влаги. Кривой 4 показан измеренный зондом ХТГЗ угол выхода потока влаги из последней ступени. В нижней и средней части лопатки результаты расчетов (кривая 2) удовлетворительно совпали с результатами измерений 1. В верхней части, где имелась повышенная концентрация влаги, данные измерений получились более высокими.
