Меню сайта

загрузка...

Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Паровые турбины. Часть 1

Образование влаги в элементах турбины

При переходе однофазной среды (перегретого пара) в двухфазную область состояния в конфузорных (ускоряющихся) потоках, например в сопловых турбинных решетках, с большими скоростями потока с и соответственно с большими абсолютными градиентами давления ёр изменение термодинамических параметров происходит очень быстро. При этом не успевает реализоваться равновесный процесс конденсации, т. е., как правило, при прохождении пара через конфузорную решетку не успевает произойти конденсация. Температура пара Т в таких потоках оказывается ниже соответствующей температуры насыщения Г5, определяемой по термодинамическим таблицам по давлению за решеткой р (рис. 2.33).

  На рис. 2.33 сплошными   линиями

представлены изобары в равновесной А, .у-диаграмме, штриховыми — изобара ри и изотерма Тп при неравновесном переохлажденном состоянии. Состояние переохлаждения является нестабильным, т. е. относительно устойчивым только до определенного предела. При достижении максимального для данного случая переохлаждения пар спонтанно переходит в состояние, близкое к равновесному. Новая (жидкая) фаза возникает в виде мельчайших капелек — ядер конденсации. Характер и места возникновения влаги в элементах паровых турбин весьма разнообразны: это бурная спонтанная конденсация в ядре потока, конденсация в вихрях, в частности в кромочных следах за выходными кромками лопаток, конденсация переохлажденного пара на поверхностях различных элементов в областях повышенной крупномасштабной турбулентности.

На максимальное переохлаждение, место возникновения конденсации наиболее существенно влияет условный градиент давления в сопловой решетке

а также давление среды р.

Увеличение градиента р приводит к запаздыванию конденсации, росту переохлаждения. Поскольку протяженность зоны, где происходит спонтанная конденсация, невелика, она может условно рассматриваться как зона скачкообразного изменения параметров потока и процесс называется скачком конденсации. При начале процесса в решетке, когда на входе пар перегретый, а на выходе из нее по равновесной Н, -диаграмме влажный, реально конденсация начинает происходить при определенной (равновесной) степени сухости хв, называемой линией Вильсона.

При рассматриваемом процессе с переохлаждением течение в решетке происходит с дополнительными (кроме рассмотренных выше, в § 2.2 потерь энергии при течении однофазной среды)

потерями энергии, которые определяются неравновесностью процесса и называются потерями от неравновесности нер.

Неравновесность процесса приводит к уменьшению располагаемого теплоперепада, которое видно из диаграммы на рис. 2.33, и необратимым потерям, обусловленным межфазовыми обменными процессами:

; показатель изоэнтропы принимается

  то в формуле (2.80)

  там же выделена зона начала спонтанной конденсации. Для расчетов можно пользоваться формулой

  обычно начинается бурный процесс спонтанной

Если процесс расширения начинается в области перегретого пара, т. е. когда Ро>р8, то располагаемый диаграммный теплоперепад решетки #0д>#од (Рис- 2.33) и для всей решетки потери от неравновесности будут равны

С учетом потерь энергии, присущих однофазному потоку ^одн, полный коэффициент потерь энергии можно определить по формуле

Рассмотренный случай при большой доле потерь от неравновесности характерен для одной из ступеней низкого давления паровой турбины, где линия процесса пересекает линию насыщения х=1, а также для первой ступени турбин насыщенного пара, когда на входе в сопловую решетку х0= 1,00 ч-0,99, а на предшествующем участке до первой сопловой решетки жидкая фаза обычно очень мелкодисперсна.

Процесс расширения пара в решетках с начальной влажностью на входе весьма сложен. Поскольку в реальных условиях турбины на входе в решетку жидкая фаза имеет разную дисперсность и разное распределение в общем объеме, а скорости капель влаги отличаются от скорости пара и но величине, и по направлению, практически нельзя дать какой-либо общей схемы движения влажного пара.

Траектории капель влаги в канале решетки могут быть различными (рис. 2.36). Капли влаги в паровом потоке могут при этом терять устойчивость, дробиться. Чем крупнее капли, тем, очевидно, меньше коэффициент скольжения V. Мелкие капли следуют линиям тока основного потока; скорость их но величине 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 скольжения между фазами.

Течение влажного пара в неподвижных турбинных решетках имеет в общем случае следующие особенности:

а)             расширение влажного пара происходит с запаздыванием конденсации, т. е. с переохлаждением, которое может быть различным не только в продольном направлении (по потоку), но и в поперечных сечениях канала, а также по высоте решетки;

б)            на входе в решетку пар может включать разного размера капли влаги, имеющие скорости, разные по величине и направлению; внутри канала могут образовываться новые капли, может происходить испарение капель, их разрушение, переход в водяную пленку;

в)             траектории капель в общем случае отклоняются от линий тока паровой среды;

г)             на поверхности профиля и на торцевых стенках каналов образуется водяная пленка, которая в зависимости от места и режима обтекания решетки имеет разные толщину и форму поверхности. С поверхности пленки срываются жидкие частицы, при ударе капель о пленку часть жидкости может выбрасываться в поток;

д)             в канале происходят трение, тепло- и массообмен 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, распределение давления по обводу профиля и по высоте. Иными оказываются такие интегральные характеристики обтекания решеток, как коэффициенты потерь энергии и расхода, углы выхода.

Проведенные исследования течения влажного пара в турбинных решетках дают в основном качественную картину и только в некоторых частных случаях позволяют внести поправки в аэродинамические характеристики решеток.

Траектории капель в канале показаны на рис. 2.36. Очень мелкие капли диаметром (в зависимости от давления) 5мкм практически следуют линиям тока основного потока и вместе с ним проходят через решетку, не соприкасаясь с поверхностью профиля. Капли большого размера отклоняются от линий тока, причем тем сильнее, чем больше й. Очень крупные капли (</>50-^ 100 мкм) движутся через сопловый канал почти независимо от направления потока. Размеры и форма большинства решеток таковы, что канал или вообще не имеет просвета, т. е. осевая линия, проведенная от входного 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.

  показана на рис.

2.37. В струях I и 2 частицы влаги имеют наибольшие размеры и наименьшие скорости.

Исследования турбинных решеток показали, что коэффициент потерь энергии ^ при течении влажного пара возрастает. Это увеличение коэффициентов потерь происходит вследствие:

а)             увеличения потерь на трение в водяной пленке и парокапельном пограничном слое;

б)            потерь энергии парового потока на разгон частиц жидкости;

в)             трения между фазами;

г)             увеличения кромочного следа, дробления пленки при сходе с выходных кромок и дополнительного при этом завихрения потока;

д)             интенсификации вторичного течения в зоне ограничивающих канал торцевых стенок с участием в ней жидкой фазы.

Основными факторами, определяющими рост потерь энергии, являются потери на разгон капель и трение между фазами, а также увеличение кромочных потерь.

С повышением давления пара влияние влажности на характеристики решеток ослабевает. Это объясняется тем, что при этом сокращается разница в плотностях пара и воды, уменьшаются размеры капель и относительные расстояния между ними, увеличиваются числа Рейнольдса.

На рис. 2.38, а приведены результаты исследования сопловой решетки, установленной за турбинной ступенью, когда условия на входе в решетку близки к реальным, присущим многоступенчатым турбинам.

или при р0>р5 средняя влажность равна

  (рис. 2.33). Это увеличение потерь объясняется рассмотренным выше неравновесным характером процесса

расширения. При этом с ростом числа М (до М^1, когда начинается спонтанная конденсация) растет переохлаждение и согласно формуле (2.80) возрастают потери от неравновесности. При образовании в предшествующей ступени мелкодисперсной влаги с у0 для анализируемой решетки (у$>0,005н-0,010) потери энергии снижаются из-за уменьшения переохлаждения и более равновесного процесса конденсации. С увеличением влажности (при >>о>0,02) потери вновь начинают возрастать при преобладающем влиянии взаимодействия между фазами.

Если на входе в исследуемую решетку влага крупнодисперсна, то необратимые потери энергии больше, чем при малой степени дисперсности: больше доля крупной влаги Хкр и с увеличением влажности ^0 потери монотонно возрастают. Увеличение потерь объясняется главным образом меньшей величиной коэффициента скольжения V и, следовательно, большими потерями энергии парового потока на разгон капель влаги.

Приближенно для этой зоны, т. е. при ощутимой доле крупной влаги 0,05<Хкр<0,6, увеличение потерь энергии в решетках по сравнению с потерями, присущими однофазной среде (перегретому пару),

где для сопловой решетки приближенно

и аналогично для рабочей решетки

. При этом качественный характер зависимости х = (I (у0, Хкр) остается таким же, как и аналогичной зависимости коэффициента потерь энергии. Каждая кривая на 2.38 относится к разным кр.

  Используя

приближенные зависимости, базирующиеся па уравнении состояния, и учитывая, что скорости и удельные объемы различны для равновесного процесса (обозначены индексом равн) и процесса с переохлаждением, запишем

Отсюда получим отношение коэффициентов расхода:

где х,—сухость пара за решеткой при равновесном процессе расширения. Этой формулой для приближенных расчетов можно пользоваться для всех сопловых решеток, обтекаемых влажным паром. Изменение расходных характеристик для рабочих решеток зависит от теплоперепада решетки. Так, если давления пара до и за решеткой одинаковы, когда канал в решетке практически постоянного сечения, т. е. когда V— 1 — зт р2э/5Ш §х = 1, то следует ожидать, что (12Л = Ц2П- Основываясь на этом, получим следующую формулу для рабочей решетки

где х2 — сухость пара за решеткой в равновесной Л, .у диаграмме.

  показана на

рис. 2.39. Более точно, в соответствии с опытами, представленными на рис. 2.38,6, коэффициент расхода для влажного пара можно найти по формуле

  показаны на графиках на

); для рабочей

- давление торможения в относительном движении перед рабочей решеткой.

По характеру течения влажного пара в турбинных решетках, показанному схематично на рис. 2.37, по сравнению со средним

углом выхода, отвечающим течению перегретого пара, угол выхода жидкой фазы оказывается большим:

Тогда средний угол выхода из решетки определится по формуле

  принимается по выражению (2.92). Увеличение

  подтверждено опытами.