Турбины для атомных электростанций - Основные тд характеристики влажного пара

2-1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМОАЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАЖНОГО ПАРА

В большинстве ступеней турбин насыщенного пара, а также в последних ступенях конденсационных турбин перегретого пара процесс расширения проходит ниже пограничной кривой (см. рис. 1-7). Таким образом, в этих ступенях рабочим телом является двухфазная среда, включающая как паровую, так и жидкую фазу одного вещества — воды. Практически в турбинных ступенях большую, а часто подавляющую часть составляет паровая среда. Жидкая фаза во влажном паре может находиться в мелкодисперсном состоянии — в виде тумана, в крупнодисперсном состоянии — в виде капель и, наконец, в виде пленки, движущейся по твердым поверхностям профилей лопаток, стенок и т. д., а также в виде струй, срывающихся с этих поверхностей.
Дисперсность влаги характеризуется размером капель, и так как в общем случае в данном объеме имеются капли разного размера, то под размером понимают некоторый средний диаметр d. Двухфазная среда может находиться в состоянии устойчивого термодинамического равновесия и в состоянии временного метастабильного равновесия, а также в состоянии фазового перехода — конденсации или испарения.

Рис. 2-1. Процесс расширения пара в диаграмме.
0-1 — линия изоэнтропийного расширения перегретого пара; 1-2 — линия изоэнтропийного расширения в предположении термодинамического равновесия; 1-3 — то же в предположении полного переохлаждения.
В отличие от перегретого пара во влажном паре в равновесном состоянии давление р и температура t не являются взаимно независимыми параметрами, так как температура пара равна температуре насыщения ts и однозначно определяется давлением ts=t(p).
Термодинамическим параметром влажного пара является влажность у, характеризующая относительную массу жидкой фазы в определенном объеме среды *:
(2-1)
или сухость х=1—у.
Для анализа процессов, происходящих в турбинной решетке, принципиально важно знать, какой пар на входе в решетку: перегретый или влажный. Если процесс начинается от состояния пара выше пограничной кривой х=1 (рис. 2-1), а заканчивается ниже ее, то, как правило, при расширении пара в решетке конденсация не успевает произойти. Такой процесс происходит без возникновения жидкой фазы, без выделения скрытой теплоты испарения; температура пара ниже, чем температура насыщения при давлении в потоке, т. е. он переохлажден. Это связано с большими скоростями расширения пара, характеризуемыми величиной
Здесь и далее все параметры и характеристики жидкой фазы обозначаются штрихом, а паровой фазы — двумя штрихами.

Если предположить процесс расширения изоэнтропийным, то в диаграмме (рис. 2-1) он будет проходить сначала от состояния р0 и t0 (точка 0) до линии насыщения х=1 и давления р1 (точка 1) по изоэнтропе 0-1, затем до давления р2 не по изоэнтропе 1-2, соответствующей равновесному состоянию, а по изоэнтропе 1-3 при метастабильном состоянии пара, что приводит к большему снижению температуры по сравнению с процессом по изоэнтропе 1-2, т. е. t3<t2. Здесь t2=ts=t(p2).
Разность температур ∆t=ts—tз называется переохлаждением. Еще в опытах А. Стодолы было получено переохлаждение до ∆t=15-25°С, а в экспериментах МЭИ на сверхзвуковых соплах до ∆t=30-45°С. Мерой неравновесности может быть также степень перенасыщения p2/ps, т. е. отношение давления р2 к давлению насыщения ps при заданной температуре плоской поверхности раздела фаз.
Перенасыщенный (переохлажденный) пар, находясь в метастабильном состоянии, в процессе возникновения жидкой фазы перейдет в термодинамически равновесное состояние.
Конденсация в потоке происходит на молекулярном уровне в результате спонтанного (непроизвольного, т. е. без внешних воздействий, и обычно скачкообразного) образования капель субмикронного размера. По кинетической теории фазовых превращений при тепловом движении молекул в результате флуктуации существует вероятность образования ассоциаций молекул, их объединения в более крупные группы, составляющие конденсированную фазу. Такие флуктуации называются гетерофазными.
Для того чтобы образовавшийся зародыш конденсированной фазы был устойчивым, необходимо, чтобы паровая фаза была несколько переохлаждена и, кроме того, диаметр возникшего зародыша d должен быть не менее некоторого критического значения

С увеличением теплоперепада в области влажного пара ∆t увеличивается и в соответствии с (2-4) dкp уменьшается. Скорость образования центров конденсации и соответственно скорость фазовых превращений увеличивается. Это приводит к тому, что невозможно существование глубоко перенасыщенного (переохлажденного) пара и может произойти «скачок конденсации» (спонтанная конденсация), аналогичный скачкам уплотнения в газодинамике, когда протекает скачкообразный, малой протяженности процесс конденсации.
Теория скачков конденсации и их экспериментальное исследование представлены в работах МЭИ, см. например [21, 55]. По опытам и расчетам МЭИ, характер спонтанной конденсации существенно зависит от т. е. от давления пара.
При исследованиях, проведенных на сверхзвуковом сопле, при условии, локальная интенсивность «скачков конденсации» падала с повышением давления, спонтанная конденсация развивалась уже на участке большей протяженности. Начало спонтанной конденсации (рис. 2-2) соответствует сверхзвуковому потоку.
При расширении пара по изоэнтропе 1-3 (см. рис. 2-1) метастабильного состояния его объем из-за переохлаждения убывает быстрее, чем по изоэнтропе 1-2, несмотря на конденсацию в последнем случае части пара. Поэтому располагаемая работа во втором случае (h0) больше, чем в первом (h0), площадь a-1-2-б больше, чем a-1-3-б. Относительное уменьшение
(2-5)
называется потерями от переохлаждения. Теоретически подсчитанные потери ζπ0=2,5—5% при ε=0,7-0,4 (рис. 2-2). Вследствие запаздывания процесс конденсации начинается не при х=1, а при какой-то диаграммной сухости хВ<1.
Линия хВ=const (рис. 2-3), зависящая от р, называется линией Вильсона. Поскольку каждому р соответствует своя линия Вильсона, а р в свою очередь зависит от размеров и формы решетки, от режима течения в ней и от давления р, то правильнее в общем случае говорить о некоторой области или зоне Вильсона, ограниченной реальными значениями хВ=f(p).
На рис. 2-3,а показаны линии Вильсона в зависимости от р. В пределах от р=10 1/с до р=10 000 1/с по расчетам по формуле (2-3) зона Вильсона занимает хВ=0,977-0,963 [103].
При расчетах области между линией насыщения х=1 и линией Вильсона хВ термодинамические характеристики влажного пара приближенно можно принимать, как и для перегретого пара.
Практически для сопловых турбинных решеток, когда на входе пар перегретый, пересечение зоны Вильсона возможно только при сверхзвуковых скоростях, т. е. для суживающихся решеток — в косом срезе.
В is-диаграмме для области ниже кривой насыщения можно построить изобары переохлажденного пара и тем самым получить значения h'0 — фактического располагаемого теплоперепада с учетом переохлаждения (рис. 2-3,б). Очевидно, что чем больше потери от переохлаждения, тем выше интенсивность скачка конденсации, и, следовательно, ξпо будет уменьшаться с ростом давления р.
Фактически при дозвуковых скоростях пара конденсация происходит главным образом в кромочных следах решетки (в осевом зазоре) и на поверхности вращающейся рабочей лопатки. В кромочном следе в центрах вихрей, срывающихся с выходной кромки профиля, имеется зона пониженной температуры. Пересыщенный пар, попадая в эту зону, бурно конденсируется; образовавшиеся капли центробежными силами выносятся из вихря в ядре потока.
Процесс расширения пара в решетках с начальной влажностью на входе весьма сложен. Поскольку в реальных условиях турбины на входе в решетку пар имеет переменные по шагу и высоте степень влажности и дисперсность, а скорости капель влаги отличаются от скорости пара и по назначению и по направлению, то практически нельзя дать какой-либо общей схемы движения влажного пара. Траектории капель влаги в канале решетки могут быть очень различны (см. § 2-2). Капли влаги в паровом потоке могут терять устойчивость, дробиться. Характеристикой устойчивости капель является число Вебера
(2-6)
В зависимости от ряда параметров потока WeKp=9-18 [55]. Если We<WeKp, то капли устойчивы (при условии, что разность скоростей паровой и жидкой фаз, вызывающая дробление, устанавливается за период, соизмеримый с периодом собственных колебаний капли). Если время воздействия на каплю очень мало, то она может не разрушиться и при We>WeKp.
Если процесс расширения начинается в области выше пограничной кривой, то возникновение жидкой фазы зависит от значения р, параметров пара и отношения давления eε=p1/р0 для случая, когда на входе в решеку или канал уже имеется жидкая фаза, конденсация проходящего пара кроме указанных характеристик зависит от влажности и дисперсности пара на входе, которые играют в процессе конденсации определяющую роль. Так, при крупнодисперсной среде степень переохлаждения уменьшается, спонтанная конденсация начинается при больших значениях Р [21,55].
Интенсивное выделение тепла при скачкообразной конденсации пара в сверхзвуковом потоке может привести к образованию нестационарных ударных волн. Периодическая нестационарность этого процесса характеризуется заметной пульсацией параметров потока с частотой в зоне спонтанного влагообразования, равной 500—2000 Гц. Это явление, обнаруженное сначала в одиночных соплах Лаваля [8], наблюдается и при обтекании турбинных решеток как с суживающимися, так и с расширяющимися каналами. 

Рис. 2-4. Нестационарные явления при скачках конденсации в турбинной решетке.
а — схема; б — пульсация давлений на спинке профиля в косом срезе; в — изменение во времени давления и влажности в одной из точек на спинке профиля в косом срезе, n=2,04 кГц, p0=4,5 МПа.
Во-первых, оно наблюдается при режимах отклонения потока в косом срезе, во-вторых — при нерасчетных режимах с повышенным противодавлением. Волновая структура течения для суживающейся решетки схематично представлена на рис. 2-4.
При небольших сверхзвуковых скоростях потока М=1,1-1,3 и расширении с линии насыщения за волной разрежения, отходящей от выходной кромки, переохлаждение максимально, и оно завершается интенсивным выделением тепла и возникновением ударной волны 1. Эта волна неустойчива и перемещается против потока. При этом в узкой зоне происходит повышение температуры и резкое сокращение степени переохлаждения и соответственно снижение скорости конденсации. В результате этого ударная волна распадается. Через некоторое время в этом сечении вновь достигается максимальное переохлаждение и процесс повторяется. Такое периодическое изменение параметров приводит к изменению положения и интенсивности скачков уплотнения 2, перемещающихся по спинке профиля в косом срезе решетки вследствие перерасширения потока. Это, в свою очередь, приводит к образованию дополнительных возмущающих сил. Экспериментальные и теоретические исследования этого явления, выполненные МЭИ [49, 55], показывают, что вероятность этого процесса возрастает с увеличением давления пара на линии насыщения. На рис. 2-4,б представлена качественная зависимость пульсации давления ∆р/р вдоль спинки профиля от горла канала до выходной кромки.

Рис. 2-5. Влияние начальных давления р0 и влажности у0 на характеристики сверхзвукового сопла.
ν — коэффициент скольжения; η0 — к. п. д. сопла; μ —  коэффициент расхода (опыты МЭИ).
Важной характеристикой течения двухфазной среды является коэффициент скольжения или разгонаОт значения v зависят показатели экономичности ступени и эрозионной надежности, а также возможность эффективной сепарации. Так, крупные капли (с d>80 мкм при р<0,1 МПа) с коэффициентом скольжения v<0,4-0,6, являются причиной эрозии лопаток. Мелкие же капли с d<1-5 мкм практически следуют линиям тока основного потока; скорость их как по значению, так и по направлению мало отличается от скорости пара. Анализ распределения влаги и дисперсности ее в сечении за решеткой показывает, что основная доля жидкой фазы сконцентрирована в виде капель крупного размера. При этом большое значение приобретает механическое воздействие со стороны крупных капель на паровой поток из-за их относительного движения (скольжения между фазами).
Сила этого механического воздействия на единицу объема среды находится из формулы
(2-7)
где Сх — коэффициент сопротивления, подсчитываемый по известным соотношениям в зависимости от числа Re.
Отношение удельных объемов фаз практически определяется давлением пара, с увеличением которого R уменьшается, так как уменьшается v'' и растет V.
На рис. 2-5 представлен, по данным МЭИ, график влияния влажности и давления пара на коэффициент скольжения v, относительное изменение к. п. д. соплаи коэффициент расхода. Кривые построены при измерении параметров на срезе сопла. Качественно эти данные могут быть применимы и к турбинным решеткам. Они показывают, что при одинаковых у с ростом давления р рассогласование фаз существенно уменьшается, что свидетельствует об уменьшении динамической неравномерности системы.
Увеличение коэффициента скольжения v и уменьшение ζпо с повышением давления показывают, что расходные характеристики сопла также должны зависеть от давления, уменьшаясь с ростом последнего.