Течение влажного пара в неподвижных решетках имеет в общем случае следующие особенности:
расширение влажного пара происходит с запаздыванием конденсации, т. е. с переохлаждением, которое может быть различным не только по потоку (в продольном направлении) и, следовательно, по обводу профиля, но и в поперечных сечениях канала, а также по высоте решетки;
на входе в решетку пар может включать капли влаги разного размера и имеющие скорости, различные по значению и направлению; внутри канала могут образовываться новые капли, может происходить испарение капель, их разрушение, переход в водяную пленку;
траектории капель в канале в общем случае отклоняются от линии тока основного потока;
на поверхности профиля и на торцевых стенках каналов образуется водяная пленка, которая в зависимости от места и режима обтекания решетки имеет разную толщину и форму поверхности. С поверхности пленки срываются жидкие частицы, при ударе капель о пленку часть жидкости может выбрасываться в поток;
в канале происходит тепломассообмен, а также трение между фазами.
В результате этого сложного процесса по сравнению с течением перегретого пара меняются истинные параметры потока на выходе из решетки как интегральные, так и локальные, в частности меняются скорости и углы потока и его фаз, распределение поперек канала, т. е. по шагу, концентрации влаги и дисперсности, меняются такие интегральные характеристики, как коэффициенты скорости и расхода; меняется распределение давлений по обводу профиля, а для кольцевых решеток и по радиусу.
Хотя в настоящее время проведено мало экспериментальных исследований обтекания влажным паром плоских и особенно кольцевых решеток, известных главным образом по работам МЭИ, ЛПИ, ХПИ, ЦКТИ, фирмы КЕМ, но некоторые качественные и даже количественные выводы из них уже можно сделать.
Рассмотрим картину движения влаги внутри сопловой решетки.
Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают (рис. 2-6), что траектории капель в первую очередь зависят от их размеров. Очень мелкие капли диаметром (в зависимости от давления) d<l-5 мкм практически следуют линиям тока основного потока и вместе с ним проходят через решетку, не соприкасаясь с поверхностью профиля (кроме узкой зоны пограничного слоя). Капли большего размера отклоняются от линий тока, причем тем сильнее, чем больше d. Очень крупные капли (d>50-100 мкм) движутся через сопловой канал почти независимо от направления потока. Относительный шаг t и углы α1э и β2э в большинстве решеток таковы, что канал или вообще не имеет просвета (т. е. осевая линия, проведенная от выходного участка спинки профиля, пересекает соседний профиль), или этот просвет невелик. В первом случае практически все крупные капли будут попадать на вогнутую поверхность; во втором случае это касается только части крупных капель. Очевидно, что по шагу на выходе из решетки будет меняться удельная концентрация влаги на единицу длины. Обычно наибольшей она будет в кромочном следе.
Кривая 1 на рис. 2-7 характеризует поперечное распределение массы жидкой фазы, прошедшей через решетку без контакта с профилем, а кривая 2 — распределение капель по диаметру d. Этот теоретический расчет сделан без учета дробления капель влаги и конденсации пара внутри решетки. Кроме того, здесь также не учтена водяная пленка, движущаяся по обводу профиля.
Водяная пленка, движущаяся в газовом (паровом) потоке вдоль твердой стенки в зависимости от числа Re, может быть устойчивой, как с гладкой, так и с волнообразной внешней поверхностью. С ростом скорости основного потока близкая к синусоидальной форме волновая поверхность искажается и гребни волн могут срываться и уноситься потоком. При ударе капель о поверхность, покрытую пленкой, часть жидкой фазы отражается и также уносится потоком.
В криволинейных каналах на формирование пленки большое влияние оказывают кривизна поверхности и локальный градиент давления. В опытах наблюдалось интенсивное отражение частиц жидкости от вогнутой поверхности и перенос их на спинку профиля. Это отражение будет тем больше, чем меньше t и α1э. Срыв жидкости с поверхности пленки наиболее интенсивен на участках большой кривизны и в диффузорной области косого среза на спинке профиля.
Общая схема движения основных потоков частиц жидкости в канале сопловой решетки при α0=90° показана на рис. 2-8. В струях 1 и 2 частицы влаги имеют наибольшие размеры и наименьшие скорости.
Рис. 2-6. Траектории и скорости водяных капель в канале сопловой решетки (при р<0,1 МПа).
Представление о распределении жидкости по шагу за сопловой решеткой можно получить по результатам опытов МЭИ (рис. 2-9).
Исследования проводились при разных шагах t. Как видно из кривых, распределение по шагу представительного по массе диаметра капель очень неравномерно. При шаге t=1 в кромочном следе и вблизи него капли очень крупные (d=150-180 мкм), по направлению к вогнутой поверхности профиля диаметр капель уменьшается примерно вдвое; однако при пересечении со струей 2, где сконцентрирована значительная доля крупнодисперсной влаги, измеренный за решеткой диаметр капли достигает d=150 мкм.
Далее дисперсность влаги снова уменьшается до d=60 мкм, пока в зоне следующего срывного потока влаги (струя 3) размер капель не увеличится до d=130 мкм. В решетке с меньшим шагом t струя 3 попадает на вогнутую поверхность профиля, что увеличивает кромочную зону, в то же время ликвидируя пик кривой d=f(x), вызванный струей 3. Интересно отметить, что изменение t в большом диапазоне, от d=1,0 до t=0,5, не увеличило максимального размера капли, определяемого при данных условиях обтекания стекающей с кромок водяной пленкой, но несколько повысило минимальный (представительный) диаметр капли.
Изменение по шагу коэффициента скольжения ν, полученное в опытах с той же решеткой (t=0,69), показано на рис. 2-10 [19]. Это распределение по шагу представлено при различных отношениях давлений ε=ρ1/ρ0. Обращает внимание то, что от ядра потока до кромочного следа ν при малых перепадах может уменьшаться в 3 раза. При снижении е значение ν по шагу выравнивается, а в ядре потока падает. С ростом начальной влажности у0 при том же ε значение ν уменьшается.
В этих же исследованиях обнаружено влияние числа Re, подсчитываемого по скорости парового потока. С ростом Re (при том же ε и возрастании давления р) коэффициент скольжения увеличивается.
Как известно, см. например [20, 69], распределение давления по обводу профиля позволяет проанализировать эффективность обтекания решетки, наметить пути оптимального ее профилирования.
На примере трех решеток рассмотрим, как влияет влажность на это распределение. На рис. 2-11 показаны кривые распределения давления по обводу профиля для дозвуковых сопловой и рабочей (активного типа) решеток (опыты МЭИ) и для сверхзвуковой решетки с расширяющимися каналами, представляющей периферийное сечение рабочей лопатки последней ступени турбины Рэ=600 МВт на n=50 с-1 [139]. Эта решетка имела t=1,0 и толстые выходные кромки (рис. 2-11,в).
Как видно из графиков, а также из других аналогичных исследований, пока не обнаружено принципиального, качественного изменения распределения давления по обводу профиля под влиянием влажности; конфузорность и диффузорность потока меняются незначительно, перерасширение потока несколько уменьшается, точка минимума давления на спинке профиля почти не сдвигается.
Очевидно, что при переходе с перегретого на влажный пар должно меняться и распределение давления торможения p1 по шагу, которое характеризует как местные, так и интегральные потери энергии (рис. 2-12).
По данным МЭИ, за сопловой решеткой с увеличением влажности p1/p0 по всей ширине уменьшается и, следовательно, не только интегральные, но и местные потери увеличиваются. Аналогичные результаты с другими решетками получены в опытах ЛПИ [34]. По данным фирмы КЕМ, эффективность решетки при расчетном режиме (по [139], скорость потока М=1,7) невысока и даже при течении перегретого пара ядро потока с минимальными потерями занимает очень малую часть шага. С переходом в область влажного пара, вплоть до у=19%, интегральные потери увеличиваются.
При течении влажного пара потери в решетках возрастают, т. е.
вследствие:
увеличения потерь на трение в водяной пленке и парокапельном пограничном слое;
потерь энергии парового потока на разгон частиц жидкости;
увеличения кромочного следа, дробления пленки при сходе с выходных кромок и дополнительного при этом завихрения потока;
изменения турбулентности потока в канале и на стенках профиля;
переохлаждения пара, а при некоторых режимах — потерь в «скачках конденсации»;
интенсификации вторичного течения с участием в нем жидкой фазы.
Эти причины приводят к росту профильных потерь ζπρ, причем основным является увеличение кромочных потерь и потери на разгон.
Интенсификация вторичного течения обусловливает увеличение концевых потерь.
Потери от переохлаждения, полученные по опытам с сопловой решеткой С-90-12-А, в зависимости от s=ρ1/ρ2 видны из кривой на рис. 2-2. При самых больших в опытах скоростях (до ε>0,4) эти потери не превышают ζ<0,04.
На рис. 2-13 показаны некоторые результаты исследования различных решеток на перегретом и влажном паре. По этим данным профильные потери ζпо с ростом влажности увеличиваются. Следует, правда, отметить, что все эти опыты проводились при искусственном увлажнении перед решетками, как правило, при более крупных размерах капель, чем в реальных условиях многоступенчатых турбин, а также при давлениях пара ниже атмосферного. В то же время повышение давления, связанное с меньшей разницей в плотности пара и воды, изменением размеров капель и расстояния между ними и увеличением числа Re, приводит к меньшим потерям Δζвл.
По [105] при переходе от р=7 кПа к р=2,45 МПа, т. е. увеличении давления в 350 раз, при влажности у=0,10 и числе М=0,5 максимальный диаметр капли уменьшается с d=500 мкм до d=10 мкм, т. е. в 50 раз, отношение плотности воды и плотности пара с 21 000 до 70, а межкапельное расстояние по сравнению с диаметром капли с 50 до 7.
Опыты МЭИ подтвердили гипотезу об увеличении концевых потерь в решетках при течении влажного пара [21]. Исследования обтекания решеток влажным паром по данным зондовых измерений и дренирования имеют некоторую неопределенность методического характера. Более надежным, хотя и дающим только интегральные характеристики, является метод взвешивания. Результаты испытаний на взвешивающей установке [67] показаны на рис. 2-14. Из опытов следует, что полные потери с увеличением влажности растут. Влияние числа М на ζвл обнаруживается только при ε=0,33, когда потери ζвл немного возрастают. Изменение шага t показало, что оптимальный шаг tопт при переходе к влажному пару несколько увеличивается, что объясняется расширением кромочной зоны повышенных потерь при течении влажного пара. Так, по этим опытам переход от перегретого и насыщенного пара к влажному (у0=0,08) увеличил оптимальный шаг tопт от 0,78 до 0,85.
Средний угол выхода α1 увеличивается с ростом влажности, что можно объяснить увеличением угла выхода крупных капель, не следующих линиям тока основного потока (см. рис. 2-6), и общим снижением эффективности решетки.
Интересны измерения местных углов α1, полученные в опытах МЭИ на кольцевой решетке. Результаты представлены на рис. 2-15. В средней части канала α1≈α9 и практически не зависит от влажности. В широком кромочном следе, слившемся со струей 2 (см. рис. 2-8), угол α1 возрастает при у0=0,18% на Δα1=7°, в то время как при течении перегретого пара Δα1=1°.
Интегральные коэффициенты скольжения ν, измеренные на взвешивающей установке [67], практически не меняются в исследованной зоне влажности (до у0=0,08) и почти не зависят от числа М (несколько увеличиваются при ε=0,33). В то же время переход к другим t обнаружил существенное изменение v. Если при t =tопт=0,75-0,9 коэффициент скольжения v=0,4-0,5, то как с ростом 7, так и с его уменьшением коэффициент скольжения увеличивается. При малых t значительная часть влаги попадает на вогнутую поверхность лопатки, толщина пленки увеличивается и срыв капель усиливается. При очень больших t, как видно из рис. 2-9, значительная доля влаги проскакивает через канал, не соприкасаясь со стенкой профиля.
Важно знать, как с расстоянием от решетки меняется коэффициент скольжения v. На рис. 2-16 [19] приведены некоторые данные по изменению локального значения v в зависимости от s=z/sinα1э по опытам с решеткой С-90-12-А при у0=0,032. При небольшом удалении (s=13 мм, т. е. z/b=0,043) коэффициент v для ядра потока увеличивается в 1,2 раза, а для кромочного следа — в 2 раза. Удаление измеряемой плоскости до s=46 мм, т. е. до 2/6=0,165, соответственно увеличивает значения v еще в 1,3—1,4 раза.
Для расчета турбинной ступени и выбора размеров ее решеток необходимо знать коэффициенты расхода μ. В связи с тем что в минимальном сечении решетки и за решеткой удельный объем влажного пара оказывается меньше, чем в предположении термодинамического равновесия, то, несмотря на снижение скорости и некоторое загромождение пленкой минимального сечения, расход влажного пара почти всегда оказывается выше, чем перегретого при тех же условиях.
Рис. 2-17. Влияние влажности на расходные характеристики сопловых решеток.
а — опыты ХПИ; б — опыты МЭИ на установке взвешивания.
Таким образом, в уравнения неразрывности, по которым определяются размеры решеток или расход через них, подставляются параметры пара, взятые по is-диаграмме и таблицам в предположении термодинамического равновесия, но вместо μпп по [69] следует
Дать какие-то окончательные рекомендации по оптимальному профилированию решеток для работы их в области влажного пара пока еще нельзя. Однако некоторые выводы, видимо, можно уже сделать. Так, для уменьшения потерь ζвл следует несколько увеличивать относительный шаг t, утонять выходную кромку и, естественно, учитывать при проектировании ступени уточненные характеристики решеток.
