Материал: Изучение энергетических характеристик активной турбины на модельном однофазном и двухфазном рабочем теле (120

Рис. 2.2. Схема течения двухфазной смеси в осевом зазоре турбины

4. Течение двухфазной смеси в рабочем колесе

При малом осевом зазоре между сопловыми и рабочими лопатками изменением параметров течения смеси в зазоре можно пренебречь. В этом случае жидкая пленка, стекающая с малой скоростью с лопаток СА, попадает на рабочие лопатки под большим отрицательным углом атаки, ударяясь не о корытце, а о спинку, как показано на рис. 2.2. Это приводит к торможению рабочего колеса и появлению больших потерь на удар, а при длительной работе вызывает эрозионный износ лопаток, который вызывает дальнейшее дополнительное снижение КПД турбины. При интенсивной сепарации на сопловых лопатках и наличии крупных частиц в потоке, а также при малом осевом зазоре потери на удар будут преобладать над остальными видами потерь.

Оценим потери на удар в предположении, что скоростью пленки, стекающей с лопаток, можно пренебречь по сравнению с ок-

36

ружной скоростью лопаток колеса. Тогда относительная скорость вторичных капель от дробления пленки будет равна окружной скорости и направлена против вращения. Будем считать, что жидкие капли прилипают к поверхности лопаток колеса, т. е. удар абсолютно неупругий.

Сила сопротивления, приложенная к элементарной длине рабочих лопаток dr, из-за удара частиц будет

dP1 2 k(mk /Fa )udr,

где mk – масса частиц; Fа – площадь поперечного сечения проточ-

ной части; r – радиус рассматриваемого сечения; u – окружная

скорость.

Положим, что жидкость, выпавшая на рабочих лопатках, стекает по ним под действием центробежных сил в радиальном направлении. В этом случае появится дополнительная сила сопротивления, приложенная к лопаткам и направленная против вращения. Значение этой силы, действующей на радиус r и возникающей при движении массы dm в радиальном направлении,

dP2 = dm2ωсr пл,

где dm= Fпл k dr; Fпл – суммарная площадь сечения пленки, теку-

щей по всем лопаткам на радиусе r; k – плотность частицы; ω – частота вращения вала турбины; сr пл – средняя скорость течения пленки вдоль лопаток.

При полном выпадении жидкой фазы на сопловых лопатках и небольшом осевом зазоре расход жидкости через кольцевое сечение по рабочим лопаткам на радиусе r будет

Fплcr пл k (mk / Fa )(r2 rвт2 ),

где rвт – радиус втулки. Тогда

dP2 2 (mk / Fa )(r2 rвт2 )dr.

Суммарная элементарная сила сопротивления, действующая на длине рабочих лопаток, и потери мощности от этой силы будут определяться выражениями

dP = dP1 + dP2;

37

Произведя интегрирование и разделив полученную мощность на адиабатическую работу газовой фазы, после преобразований получим выражение для коэффициента потерь на удар и отбрасывание жидкой фазы рабочими лопатками в периферии:

где kс – коэффициент сепарации на сопловых лопатках; qk – относительная массовая концентрация жидкой фазы; qг – относительная массовая концентрация газовой фазы; hл – высота рабочих лопаток.

Из формулы видно, что для одной и той же турбины потери на удар в значительной степени зависят от отношения скоростей u/сад.

На рис. 2.3 представлены типичные экспериментальные зави-

симости эффективного КПД е низкоперепадной предкамерной турбины от отношения скоростей u/сад.

Рис. 2.3. Зависимость эффективного КПД турбины, работающей на одно- (gk = 0) и двухфазном (gk > 0) рабочем теле, от соотношения скоростей u/cад

38

Рис. 2.4. Влияние концентрации жидкой фазы в рабочем теле на уменьшение эффективного КПД турбины при u/сад = const

При работе низкоперепадной турбины на двухфазном рабочем теле с жидкими частицами происходит снижение ее КПД в зависимости от концентрации жидкой фазы gk (рис. 2.14). Высокоперепадные парциальные турбины исследованы мало в силу их ограниченного применения, а также из-за своей специфичности, однако актуальность исследования характеристик таких турбин в настоящее время повышается.

5.Методика проведения эксперимента

5.1.Описание экспериментальной установки

Для исследования характеристики турбины на двухфазном рабочем теле используется установка, представленная на рис. 1.2.

Она отличается от схемы установки для испытания турбины на однофазном рабочем теле наличием дополнительной емкости 52 с водой и гидравлической магистралью для впрыска воды в рабочее тело турбины. Газогенераторный газ или воздух проходят через смесительное устройство 46, в которое через струйные форсунки в определенном объеме подается вода. В коротком газоводе перед входом в сопло турбины формируется двухфазный поток, далее разгоняемый в СА и поступающий на рабочее колесо турбины.

39

5.2. Основные измеряемые параметры

При проведении эксперимента в качестве измеряемых параметров используют те же, что и в работе № 1 (см. п. 3.1, с. 13), дополнительно измеряется расход воды, подаваемой в поток холодного или подогретого воздуха для получения двухфазного рабочего тела.

5.3.Порядок проведения эксперимента

1.После предварительной подготовки стенда к контрольной прокрутке турбины воздухом, проводится запуск газогенератора 25 и установка выводится на режим, назначенный преподавателем. Число оборотов ротора турбины при этом выдерживается с помощью гидротормоза и составляет не более 6 000 об/мин.

2.После выхода установки на режим дозатором 34 в смеситель 46 подается вода в количестве, рассчитанном студентами предва-

рительно для получения заданного значения gk = mв /(mг + mв). При этом изменение давления на входе в турбину из-за впрыска воды компенсируют изменением расхода воздуха редуктором 21 так, чтобы в результате перестройки режима температура и давление на входе в сопло остались постоянными.

3.После выхода турбины на стационарный режим по сигналу «Замер» определяют следующие параметры:

–давление на входе в турбину р0* , МПа;

–температуру на входе Т0 , К;

–давление на выходе из турбины p2, МПа;

–перепад давления на шайбе в газовой магистрали pг, МПа;

–перепад давления на шайбе в гидравлической водяной

магистрали рв, МПа;

– частоту вращения вала турбины ω, рад/с;

– усилие на статоре гидротормоза Р, Н.

При том же расходе воды в смеситель 46 с помощью вентиля 35 уменьшают расход воды в гидротормоз, что вызывает увеличение числа оборотов турбины, и снова проводят измерения при

ω = const.

Таким образом, обороты турбины изменяются 3–4 раза в пределах 600–1 500 рад/с. Затем повторяют испытания турбины на двух других режимах расхода воды в смеситель 46, т. е. при других содержаниях жидкой фазы gk.

Результаты измерений записывают в таблицу, приведенную ниже.

40