Общие представления о работе турбин влажным паром

В конденсационных турбинах перегретого пара и турбинах, работающих насыщенным

паром процесс расширения частично или полностью проходит пограничной кривой в

is – диаграмме. Т.о. в турбинах перегретого пара часть ступеней, а в турбинах влажного пара все ступени работают на двухфазной среде. Большую часть этой среды составляет паровая фаза, меньшую – жидкая.

Жидкая фаза в потоке рабочей среды может находиться:

1. в мелкодисперсном состоянии (в виде тумана) и двигаться совместно с паровой фазой по одинаковым траекториям.

2. в крупнодисперсном состоянии (в виде капель) и двигаться по собственным траекториям, зависящим от размера капель d и скорости их движения.

3. в виде пленок, движущихся по поверхностям профилей лопаток и стенок, а так же в виде струи, срывающихся с этих поверхностей.

Процессы, сопровождающие расширение двухфазных сред на лопатках турбинных

ступеней чрезвычайно сложны и в полном объеме не изучены на настоящее время.

Однако известно, что если на турбинные решетки поступает перегретый пар и процесс расширения начинается в зоне перегретого пара, а заканчивается в зоне ниже пограничной кривой х = 1, то как правило конденсация влаги не успевает произойти, т.е. процесс расширения происходит без возникновения жидкой фазы, и, следовательно, без выделения скрытой теплоты испарения. Температура пара становится ниже температуры насыщения, т.е. пар будет переохлажден.

Такое состояние пара носит название временного метастабильного равновесия (давление р и температура t не соответствуют друг другу). Величина переохлаждения может быть значительной. Так по опытам А. Стодолы она составляла Δt = 15-25°C, а по опытам МЭИ для сверхзвуковых сопел Δt = 30-45°C. Переход из временного метастабильного равновесного состояния в термодинамическое равновесное состояние происходит в процессе возникновения в потоке жидкой фазы – зародыша (конденсация).

Согласно кинетической теории фазовых превращений Я. И. Френкеля при тепловом движении молекул в результате флуктуации (случайного отклонения от равномерного распределения молекул) существует вероятность образования ассоциации молекул, их объединения в более крупные группы, составляющие конденсированную фазу (гетерофазная флуктуация).

Для того, чтобы образовавшийся зародыш конденсированной фазы был устойчивым, необходимо, чтобы паровая фаза была несколько переохлаждена и диаметр возникшего зародыша d должен быть не менее некоторой критической величины.

=

где: σ – поверхностное натяжение; r – скрытая теплота парообразования; Т_S – температура насыщения.

Капли размером больше критического служат в перенасыщенном паре центрами насыщения.

Критический диаметр зародыша в основном зависит от степени переохлаждения Δt. Так, например, при Δt = 10°, ≈ 2∙10^-3 мк, а при Δt = 25°, ≈ (0,7 – 0,8)∙10^-3 мк.

Так как флуктуации в малом объеме пузырька более вероятны, то при достаточно большом значении Δt ( - мало) в некоторой точке потока может возникнуть «скачок конденсации». Теория скачков конденсации разработана Дейгем, Салтановым и др.

Вследствие запаздывания, процесс конденсации начинается не при х = 1, а при каком-то другом, более низком значении сухости х = х_в.

практически для сопловых турбинных с началом процесса расширения выше х = 1 пересечение линии х_в возможно только при сверхзвуковых скоростях, т.е. при срабатывании в сопле очень больших теплоперепадов. При дозвуковых скоростях конденсация пара происходит главным образом в кромочных следах за решеткой и на поверхностях вращающихся рабочих лопаток.

При входе на сопловую решетку влажного пара практически нельзя дать какой – либо общей схемы движения потока. Уже при входе на сопловую решетку пар может иметь разную степень влажности с разной дисперсностью. При этом скорость капель влаги будет отличаться от скорости пара как по направлению, так и по величине и их траектории в каналах решетки могут быть весьма различными.

Важной характеристикой течения двухфазной среды является коэффициент скольжения или разгона.

где С” – скорость пара; С’ – скорость капель.

От этого показателя зависят и экологичность ступени и эрозийная надежность и эффективность сепарации влаги. Так, например, крупные капли с d > 80 мк разгоняются в паровом потоке до ν ≈ 0,3 ÷ 0,5 и вместе с крупными каплями, возникающими в кромочных следах являются причиной эрозийного разрушения рабочих лопаток. Мелкие капли с d ≈ 1÷5 мк практически следуют по линиям тока основного потока. Их скорости мало отличаются от скорости парового потока. Примерный характер траектории водяных капель в канале сопловой решетки показаны на рисунке

I – капли d ≈ 1 мк

II – капли d ≈ 20 мк

III – капли d ≈ 200 мк

При течении влажного пара потери в решетках возрастают в первую очередь вследствие потерь энергии на разгон частиц жидкости, дробление пленки при сходе с выходных кромок и.т.д. Кроме того, частицы жидкости, попадающие на рабочие лопатки оказывают ударные, тормозящее воздействие.