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

5) жидкая фаза обладает способностью сепарироваться (высаждаться) на стенки канала, меняя геометрию проточной части.

Эти особенности являются причиной дополнительных потерь в проточной части турбины, по сравнению с работой на однофазном рабочем теле.

1.Потери в сопловом аппарате складываются из потерь на трение газа о частицы, потерь при сепарации частиц на сопловые лопатки, в результате которой полученная от газа кинетическая энергия частиц почти полностью теряется при выпадении на неподвижную поверхность и потерь на трение газа о жидкую волнистую пленку, покрывающую сопловые лопатки.

2.Потери в осевом зазоре между сопловым аппаратом и рабочим венцом состоят из потерь на трение газа о частицы, потерь кинетической энергии при выпадении частиц на периферийную стенку корпуса турбины, потерь на трение газа о волнистую пленку, образованную высаждением частиц, потерь на дробление пленки и капель, срывающихся с выходных кромок соплового аппарата.

3.Основную долю потерь в рабочем колесе (РК) составляют потери на удар жидких частиц о входную кромку рабочих лопаток

врезультате отставания частиц от газа и попадания на лопатки под большими отрицательными углами атаки, а также потери на отбрасывание жидкой фазы к периферии. Эрозионный износ увеличивает профильные потери.

4.Потери в радиальном зазоре обусловлены течением отсепарированной лопатками жидкости на периферийную стенку и ударом концов лопаток или бандажа о свободную поверхность пленки.

Перечисленные потери можно исключить путем сепарации частиц – отделением их от рабочего тела. Однако полная очистка газа, несущего разноразмерные частицы, невыгодна, поскольку пришлось бы применять сложные сепараторы грубой и тонкой очистки. Затраты энергии и габариты таких устройств не отвечают требованиям к жидкостной ракетной двигательной установке.

Вряде случаев при высокой температуре и агрессивности рабочего тела необходимо уменьшить эрозионный износ рабочих лопаток турбины взвешенными частицами. Это выдвигает определенные ограничения на содержание частиц в газе – не более 5 % по массе.

Известно, что эрозионный износ зависит от размеров частиц. Кроме того, размер частиц оказывает значительное влияние на потери в проточной части турбины. Исходя из этого генераторный газ сепарируют с отделением наиболее крупных частиц, допуская

32

наличие в рабочем теле такого содержания взвешенных частиц по размеру и концентрации, при котором потери преобразования энергии в турбине энергии в процессе сепарации в сумме минимальны и позволяют достичь максимальных выходных параметров двигательной установки в целом.

Одним из наиболее эффективных способов сепарации является закрутка сепарируемого потока с помощью специального сепарирующего соплового аппарата (ССА), показанного на рис. 2.1. Часть располагаемого теплоперепада турбины реализуется в ССА, где поток вместе с частицами, подлежащими удалению, ускоряется и получает закрутку относительно корпуса, образующего осевой зазор между ССА и сопловым аппаратом (СА) турбины.

Lc min

Рис. 2.1. Течение двухфазной смеси в проточной части турбины

Благодаря закрутке в сепарирующем зазоре более плотная фаза в поле центробежных сил выносится с меньших радиусов на большие, осаждается на периферийную стенку и транспортируется

33

через отводящее устройство в полость выхлопа турбины. Выбор длины сепарирующего зазора Lc проводится с учетом того, что сепарация частиц разного размера происходит неодинаково. Частицы попадают на периферийную сепарирующую поверхность раньше или позже и в зависимости от размера теряют окружную составляющую скорости за счет трения о поверхность, возвращаясь снова в поток и уменьшая эффективность сепарации. Минимальная длина Lc, показанная на рис. 2.1, определяется из условия, что частицы, движущиеся у корня, выпадут на сепарирующую периферийную поверхность перед СА турбины.

Аналогичные явления происходят в осевом зазоре турбины, который выполняют увеличенным с целью использования закрутки потока для дополнительной сепарации частиц на периферийную стенку и транспортировки в полость выхлопа через радиальный зазор между венцом и корпусом. Следует отметить, что использование высокоперепадного СА для полной сепарации невыгодно, поскольку существует верхний порог скорости, при которой дальнейшее увеличение закрутки потока скажется на сепарации очень мелких частиц, не влияющих на работу ступени, а потери на разгон двухфазного потока значительно возрастут, поэтому основной процесс сепарации проводят с помощью низкоперепадного ССА.

2. Течение двухфазной смеси в СА

Вследствие существенного изменения значения и направления скорости газовой фазы в СА частицы конденсированной (более инерционной) фазы отстают от газовой. Крупные частицы мало отклоняются от первоначального направления и выпадают на вогнутой поверхности сужающегося сопла или на поверхности дозвуковой части сопла Лаваля за счет инерционной сепарации. Мелкие частицы переносятся к стенкам и выпадают на элементах проточной части за счет турбулентности потока. С уменьшением диаметра частиц инерционная сепарация ослабевает, частицы диаметром d < 1 мкм могут выпадать на поверхность лопаток только под действием турбулентных пульсаций потока.

Взаимодействие выпадающих из потока жидких частиц со стенкой в сильной степени зависит от размера частиц, а также от того, является ли жидкость по отношению к поверхности смачивающей или нет.

Если жидкость не смачивает поверхность, то при ударе о стенку крупных капель происходит разбрызгивание и унос частиц по-

34

током. Когда частицы прилипают к поверхности, скорость их резко уменьшается, они сливаются и образуют сплошную пленку с волновой поверхностью. Средняя скорость течения даже маловязкой пленки не превышает 10 % скорости газового потока, поэтому можно считать, что газ обтекает неподвижную и очень шероховатую поверхность.

В суживающихся СА прямоугольного сечения отсепарированная жидкость стекает с лопаток в закромочные следы, в осесимметричных СА с расширяющейся сверхзвуковой частью частицы сепарируются в ядре потока. В зависимости от характера течения и взаимодействия двухфазного потока со стенками сопла будет отличаться и картина взаимодействия потока с рабочими лопатками, отделенными от среза сопла осевым зазором.

3. Течение двухфазной смеси в осевом зазоре турбинной ступени

Схема течения двухфазной смеси в осевом зазоре представлена на рис. 2.2.

При разрушении пленки, стекающей с сопловых лопаток, образующиеся капли ускоряются потоком. Чем больше осевой зазор, тем большую скорость приобретают частицы и тем меньше их отставание от газового потока. Величина ск /сг (ск – скорость частиц) характеризует его отставание и зависит как от размера зазора, так и от диаметра частиц. Для определенного сопла, например для частиц диаметром d = (100; 250; 500) мкм, отношение скоростей

ск /сг = (0,55; 0,35; 0,15) соответственно.

Течение двухфазного потока с твердыми частицами отличается тем, что частицы не выпадают на поверхности соплового аппарата, а отскакивают в результате упругого удара, сохраняя скорость, причем в области косого среза и осевого зазора скорость частиц продолжает увеличиваться.

Частицы диаметром менее 5 мкм имеют скорость, близкую к скорости газа, и при их взаимодействии с рабочими лопатками эрозии почти не наблюдается. С ростом размера частиц увеличивается их отставание от газа. При большом осевом зазоре происходит сепарация частиц, сопровождающаяся потерями энергии газа, состоящими из потерь на трение при движении газа относительно частиц и на трение о шероховатую волнистую пленку, покрывающую наружную стенку осевого зазора.

35

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