ГЛАВА ТРЕТЬЯ
СЕПАРАЦИЯ ВЛАГИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ И ЭРОЗИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТУРБИНЫ
3-1. ВНУТРИКАНАЛЬНАЯ СЕПАРАЦИЯ ВЛАГИ
Водяная пленка, образующаяся на поверхностях сопловых лопаток, при сходе с выходных кромок дробится на капли, которые оказывают решающее влияние на эрозию рабочих лопаток и снижают экономичность ступени. Отсос этой пленки, а также удаление капель влаги до того, как они покинут сопловую решетку, могут иметь большое значение в повышении надежности и экономичности турбины.
Образование пленки и направление «струй» крупнодисперсной влаги в канале сопловой решетки рассмотрены в § 2-2. Схема отражения капель от вогнутой поверхности дана на рис. 2-8.
Исследования распределения расхода в пленке по обводам профиля при различных режимах и анализ положения сепарирующих щелей были выполнены МЭИ. Исследования проводились на плоских решетках и в экспериментальной турбине. Результаты опытов с решеткой, имевшей девять щелей, представлены на рис. 3-1. Здесь приведена кривая распределения расхода влаги, показавшая существенную его неравномерность по обводу профиля. Результаты измерений расхода в пленке G и коэффициента сепарации ψ=Gсеп/Gвл0 через щели при их последовательном открытии даны на рис. 3-1. Кривые G=f(y0) имеют три участка. Первый, начальный (у0<1 %) характеризуется интенсивным ростом G; здесь критический расход в пленке еще не достигнут, а отражение капель незначительно. Второй участок — переходный (1%<у0<2,5-3%), здесь начинается срыв капель. Одновременно из-за утолщения пленки прогрессирует отражение капель. На третьем участке (у0>2,5-3%) абсолютный расход G увеличивается слабо, а коэффициент сепарации ψ=Gсеп/Gвл0 (где Gвл0 — расход жидкости через канал) для всех щелей уменьшается.
Рис. 3-1. Экспериментальное распределение характеристик пленочного потока жидкости G и коэффициента сепарации Ψ по обводу профиля сопловой решетки при внутриканальной сепарации (опыты МЭИ).
В зависимости от геометрических характеристик решетки, физических и аэродинамических параметров потока протяженность указанных выше участков и численные значения Ψ будут различными. Так, в частности, опыты показали заметное влияние параметров потока на Ψ.
Как известно, среднее значение числа M1=с1/α1 на выходе из решетки определяет локальные скорости по профилю. С увеличением числа Μ1 (уменьшением отношения давлений ε=ρ1/ρ0) на участках наибольшего ускорения на вогнутой поверхности профиля (щели № 8 и 9), а также на ближайших к горлу щелях на спинках профиля № 4 и 3 сепарация Ψ уменьшается. Важно отметить, что наблюдалось кризисное уменьшение Ψ, когда сепарация уменьшалась в несколько раз (рис. 3-2,б). Отмечено, что увеличение числа Re из-за роста касательного напряжения трения снижает сепарацию.
Рис. 3-2. Исследования МЭИ по сепарации через щели, расположенные по обводу профиля и на торцевой стенке (решетка С-90-12-А, t=0,75).
а — влияние у0 и месторасположения щелей на расход удаляемой влаги Gвл/l через единицу длины щели при ε=0,65 и t=50 мм; δ — влияние отношения давлений ε в решетке на коэффициент внутриканальной сепарации Ψ при у0=0,06. На профилях — номера щелей.
На кривой рис. 3-1 (слева) представлено распределение абсолютных расходов в пленке по обводам профиля при у0=6,5%, когда явления срыва и отражения достаточно развиты. Увеличение Ψ в щели № 3 объясняется воздействием отраженной струи. Пик кривой расхода в щели № 9 объясняется срывной струей 3 (см. рис. 2-8), попадающей на вогнутую поверхность в окрестности щели. Вообще в большинстве случаев ψ9 имеет наибольшее значение. В щель № 9 попадает влага, сорвавшаяся с входной части спинки профиля (струя 3 на рис. 2-8). Если шаг 7 увеличить, то эта струя может пройти мимо вогнутой поверхности профиля и влагу из нее не удается уловить до выхода из решетки. Опыты [67], проведенные с одной и той же решеткой и при одинаковых физических параметрах, показали, что с уменьшением шага от t=1,0 до t=0,5 коэффициент сепарации Ψ возрос в 2,5 раза.
Влияние влажности перед решеткой у0 на количество удаляемой жидкой фазы G через щели на поверхности профиля, а также через щели, расположенные на торцевой поверхности, показано на рис. 3-2,а. Сравнение проведено по удельному значению Gвл/lщ, г/(мин-см). Эффективной оказалась сепарация через торцевую щель b, расположенную несколько выше горла.
Многочисленные исследования отсоса пленки с поверхности сопловых лопаток выполнялись на плоских решетках как в нашей стране (ЛПИ), так и в ЧССР.
МЭИ, ЛПИ, КТЗ и БИТМ внутриканальная сепарация исследовалась в кольцевых решетках ступеней на экспериментальных турбинах. Опыты МЭИ проводились при небольшой веерности решетки Θ=8,3 с полуторной ступенью активного типа, т. е. со ступенью, за которой расположена еще одна диафрагма. Эти опыты показали, что в первой сопловой кольцевой решетке, где влага, как и в опытах на плоской решетке, подготавливалась искусственно, в средней, достаточно удаленной от концов зоне характер сепарационной способности разных щелей и влияние параметров совпадают с описанными выше исследованиями. В то же время измерения, проведенные в следующей сопловой решетке, на входе в которую влага была подготовлена предшествующей ступенью, продемонстрировали значительное влияние и/сф ступени на сепарацию. С ростом и/сф увеличивается рассогласование фаз по направлению скорости, заметно возрастает угол α'0. В результате этого уменьшается Ψ в щелях, расположенных на вогнутой стороне профиля, а зона повышенной концентрации влаги смещается к спинке.
Такое же влияние отношения скоростей предыдущей ступени показали и опыты КТЗ на многоступенчатой экспериментальной турбине [35, 37]. По этим опытам (рис. 3-3,б) увеличение с и/сф=0,4—0,45 до и/сф=0,55—0,6 сокращало Ψ в последующей ступени на ΔΨ=0,05-0,08, т. е. в 1,5—2 раза.
Испытания КТЗ, при которых внутриканальная сепарация была организована в последней, седьмой ступени многоступенчатой турбины с номинальной окружное: скоростью, подсчитанной по периферии сопловой решетки, ип=284 м/с, показали влияние перепада давления в щели, через которую производится отсос. Уменьшение этого перепада с Δр=10-12 кПа до Δр=5 кПа сокращало коэффициент сепарации более чем вдвое, а при некоторых режимах сепарация оказывалась по существу уже неэффективной (рис. 3-3,а). В этих исследованиях количество отсасываемого через щель пара составляло Ψп=0,2-0,4% при отношении давлений в сопловой решетке ε=p1/p0=0,9 и давлении пара перед ступенью р0=27 кПа. Очевидно, что увеличение отсоса может привести к заметному снижению мощности ступени. В то же время большой перепад Δр не дает заметного повышения коэффициента сепарации влаги Ψ. Для конкретных условий турбины КТЗ оптимальное значение Δр оказалось Δропт =9-10 кПа.
Отметим, что при изменении режима работы турбины: ухудшении вакуума, т. е. повышении давления в конденсаторе рк, и снижении расхода пара, т. е. снижении давления р0 перед диафрагмой, а следовательно, уменьшении Ар, значение Ψ падает.
Так, по опытам ХТГЗ [30], при сокращении расхода пара в конденсатор в 2,5 раза при рк=const соответственно падало р0 и ∆р снизилось примерно в 8 раз.
По исследованиям фирмы КВУ [104], на натурной турбине насыщенного пара с внутриканальной сепарацией в последней ступени перепад давления в щели существенно менялся с уменьшением нагрузки турбины. При G vк/(G vк)ном<0,5 сепарация фактически не работала (рис. 3-4).
Такие же результаты были получены в опытах ХТГЗ, проведенных в натурных условиях при окружной скорости, подсчитанной по периферии сопловых лопаток ип=447 м/с. Здесь при относительной мощности турбины Рэ/Рномэ=0,3 сепарация резко падала и при Рэ/Рномэ <0,17 полностью прекратилась (рис. 3-5).
Интересно отметить, что предельные значения Ψ, полученные в опытах МЭИ, КТЗ и ХТГЗ, несмотря на совершенно различные условия эксперимента и существенно отличающиеся параметры исследуемых ступеней, оказались практически одинаковыми Ψ≈0,07-0,10.
По опытам ХТГЗ заметное изменение степени влажности у0 перед исследуемой диафрагмой, достигаемое изменением температуры промперегрева, очень мало сказалось на значении Ψ. По опытам же КТЗ (рис. 3-3,8) при у0=0,08-0,10 значение Ψ не менялось, резко падая при меньших значениях начальной влажности (при у0<0,06).
Большое значение имеют условия проведения опытов. Так, например, по опытам ЛПИ на модельной турбине при искусственной подготовке влаги внутриканальная сепарация при у0=0,05 обусловила коэффициент ψ=0,12. При той же конструкции диафрагмы и том же среднем значении у0 в опытах ЛМЗ на натурном ЦНД, где влага готовилась процессом расширения в предыдущих ступенях, коэффициент сепарации уменьшился до Ψ=0,05 [71].
Несмотря на относительно небольшое значение Ψ, внутриканальная сепарация влаги эффективна. Это объясняется тем, что при этом сепарируется большая часть крупной влаги, к тому же (см. рис. 2-28) сконцентрированной у периферии.
Рис. 3-6. Распределение дисперсной жидкой фазы (а) за рабочими лопатками (в периферийном сечении) ступени с внутриканальной сепарацией и фотографии капель при включенной (а) и отключенной (в) сепарации; n — число капель данного dK; б — диаметр капель влаги за ступенью в зависимости от начальной влажности г/о; 1 — по опытам КТЗ при n= 0,95nном; 2 — по опытам ХТГЗ.
Рис. 3-5. Коэффициент сепарации Ψ в последней диафрагме с внутриканальной сепарацией турбины ХТГЗ в зависимости от мощности.
По данным ХТГЗ, в описанных выше опытах удалялось примерно 2/3 крупной влаги. Это же подтверждают фотографии капель влаги и размеры этих капель по исследованиям за рабочими лопатками последней ступени КТЗ с включенной и отключенной внутриканальной сепарацией (рис. 3-6).
Широко применяется влагоудаление через выходные кромки сопловых лопаток, в частности оно используется в последних ступенях турбин фирм АЕИ, «Стал-Лаваль» и КТЗ. Исследования такого типа влагоудаления, выполненные МЭИ на плоской решетке, показали, что отсос через щель в выходной кромке полностью устраняет всю крупнодисперсную влагу в кромочном следе — месте наибольшей концентрации влаги. При этом струя крупной влаги 2, показанная на рис. 2-8, существенно ослабляется. При некоторых режимах кромочная сепарация оказалась заметно эффективнее, чем удаление влаги из щелей, расположенных с обеих сторон профиля, недалеко от выходной кромки. Однако и в этих опытах было обнаружено существенное влияние скорости основного потока: при переходе от ε=0,9 к ε=0,6 коэффициент сепарации резко падал. Влияние скорости основного потока на Ψ объясняется тем, что при малых ε струи влаги 2 и 5 (см. рис. 2-8) выходят из решетки без контакта с поверхностью профиля. Этот отсос не будет работать при малых Gvк, когда уменьшается разность р1—р1.
Следует отметить, что при организации влагоудаления через выходную кромку будет возрастать толщина этой кромки, что приведет к повышенным потерям энергии и увеличенным динамическим импульсам, действующим на рабочие лопатки. Кроме того, при больших размерах щели будет отсасываться и пар.
Рис. 3-7. Полая сопловая лопатка ХТГЗ с внутриканальной сепарацией влаги.
1 — влагозаборные щели; 2 — влагоотводящие каналы; 3 — влагоприемный паз.
Таким образом, рекомендации, обоснованные выполненными исследованиями, можно сформулировать следующим образом: внутриканальная сепарация при ε>0,7-0,75 должна быть организована через щели, располагаемые на внутренней поверхности профиля, перед горлом на спинке и на торцевом периферийном обводе. Поскольку давление в этих местах не одинаково, то при щелях в разных местах каждая щель должна иметь свой изолированный канал отвода влаги.
В связи с тем, что даже при оптимальном отношении скоростей в ступени, предшествующей сепарации, угол направления жидкой фазы существенно больше 900, то желательно первую приемную щель располагать на входном участке спинки профиля, что и выполняет на своих турбинах ХТГЗ (рис. 3-7).
Практически внутриканальная сепарация имеет смысл при влажности перед диафрагмой у0>0,02-0,025.
Рис. 3-8. Сопловая лопатка КТЗ с сепарацией влаги из спинки профиля (2) и из выходной кромки (1). Отсос производится из верхней (I) и нижней (II) половин диафрагмы.
Рис. 3-9. Сопловые лопатки турбин насыщенного пара фирмы КВУ с прорезями для внутриканальной сепарации влаги.
В ступенях большой веерности влага концентрируется в периферийной области: по данным ЛПИ в верхней половине решетки сосредоточено 2/3 всей влаги, движущейся в пленке. Наименьшие числа Μ1, при которых такая сепарация наиболее эффективна, также характерны для периферийной зоны. Поэтому щели следует располагать примерно в верхней половине или даже в верхней трети лопаток [30]. Ширина щели должна быть, с одной стороны, настолько большой, чтобы во время эксплуатации она не закупорилась, с другой стороны — по возможности минимальной, чтобы сократить отсос пара вместе с влагой. Так как в ступенях имеется градиент давления по высоте, то щели, как правило, необходимо выполнять не параллельно кромкам, а по линиям примерно постоянного давления. При больших числах Μ1>0,75-Η),8 щели следует располагать на входном участке спинки профиля. Эффективным является сочетание сепарации со спинки профиля с сепарацией из выходной кромки, что выполняется КТЗ (рис. 3-3 и 3-8).
Удаление влаги должно быть принудительным, т. е. камеры, куда отводится влага, с учетом сопротивления соединительных каналов должны быть связаны с областью пониженного давления: с камерой следующего регенеративного отбора или с конденсатором. Соединение с камерой за сопловой решеткой или даже за ступенью, где нет отбора, может привести к недостаточной эффективности сепарации из- за малого Δρ и к попаданию влаги в последующие ступени.
На рис. 3-7—3-9 показаны конструкции сопловых лопаток с внутриканальной сепарацией. Хотя во всех случаях используется один принцип сепарации, разобранный выше, конструктивное оформление лопаток различно. В большинстве случаев щели располагаются на спинке профиля, в лопатках фирмы КВУ-АЕГ имеется также щель на стороне давления. В этой же конструкции щель не является сплошной, как в лопатках ХТГЗ и КТЗ, а прерывистой. В лопатке ХТГЗ перед щелью имеется довольно широкая, но неглубокая канавка (рис. 3-7), позволяющая, по мнению авторов, захватывать значительную долю первичной влаги.
Применение сопловых лопаток с внутриканальной сепарацией влаги позволило, как показал опыт эксплуатации, существенно снизить эрозию последующих рабочих лопаток (см. § 3-4).
