Конденсационной выработки

Изложенные соображения позволяют предположить, что возникновение жидкой фазы порождает некоторый особый механизм -«конденсационной» турбулентности. Термин «конденсационная турбулентность» является условным и призван подчеркнуть особый физический механизм рассматриваемого явления возрастания амплитуд пульсаций в конденсационном процессе. При этом необходимо иметь в виду, что здесь не рассматривается периодическая конденсационная нестационарность, возникающая в соплах Лаваля при небольших сверхзвуковых скоростях и обусловленная перемещениями скачков конденсации ',[67, 124]. Следует отметить, что зона максимума гидродинамической турбулентности не может совпадать с зоной зарождения конденсационной турбулентности, расположенной в более холодных участках пограничного слоя, смещенных в направлении его внешней границы. Малая вероятность появления жидкой фазы в зоне максимальных турбулентных пульсаций скоростей в пограничном слое объясняется тем, что эта зона расположена вблизи стенки, где температура паровой фазы близка к температуре торможения. Не подлежит сомнению существование тесной связи и взаимодействия конденсационной и гидродинамической турбулентности (см. § 6.1).

Характерные изменения претерпевает эпюра скоростей в пограничном слое на спинке профиля (рис. 3.9,а). Наиболее полный профиль скорости отвечает перегретому пару (Ks0 — 0,965; ДГо = = 36К), а наименее полный — сухому насыщенному (ftso=0). При малой степени начальной влажности (/zso=l,01; г/о=1,2%) наполнение профиля скорости увеличивается, а далее, с ростом начальной влажности, вновь снижается. Такую деформацию профиля скорости нетрудно объяснить эффектами воздействия конденсационной турбулентности на пограничный слой. Следует особо подчеркнуть, что характеристики пограничного слоя получены при значительной степени турбулентности потока перед решеткой

Физическая интерпретация полученных результатов приводит к следующим заключениям. Возрастание амплитуд пульсаций в области небольших перегревов с приближением к линии насыщения объясняется, по-видимому, процессом конденсации примесей, содержащихся в паре и имеющих более высокую температуру конденсации при данном давлении [102]. Появление неустойчивых зародышей примесей вызывает возрастание интенсивности пульсаций в пограничных слоях, обусловленное появлением конденсационной турбулентности. На участке первого спада амплитуд (hsa=0,975—0,99) возникают устойчивые зародыши примесей в пограничном слое, снижающие интенсивность пульсаций благодаря

Особенно высокая интенсивность пульсаций за решеткой (в кромочных следах) объясняется вихревой структурой следов. В начальном участке следа система дискретных вихрей создает условия, необходимые для конденсации (см. § 3.1 [61]). При этом описанный механизм конденсационной турбулентности должен вызывать значительное увеличение амплитуд пульсаций. Подробные исследования, проведенные В. М. Леоновым, показали, что с приближением к состоянию насыщения из области перегрева амплитуды пульсаций давления торможения возрастают в 2,5—3 раза в зависимости от формы кромки (скругленная, плоскосрезанная, заостренная).

Газодинамические характеристики сопловых решеток при переходе через состояние насыщения с образованием мелких капель (rfKo^O,5 мкм) меняются резко и своеобразно [153, 155]. По мере приближения к линии Ъ§о= 1 из зоны перегретого пара коэффициенты профильных потерь кинетической энергии ?щ> и коэффициенты расхода ц увеличиваются, а затем в интервале г/о=0—2 % происходит снижение ?щ> и \л (рис. 3.12). Можно предположить, что такой характер изменения ?пр и (я отражает ' сложные физические процессы, сопровождающие возникновение и формирование жидкой фазы в конфузорном паровом потоке: переохлаждение пара и связанные с ним потери кинетической энергии от неравновесности процесса в ядре потока; генерацию «конденсационной» турбулентности в пограничных слоях и в ядре потока? снижение потерь от неравновесности при (Хг/0=^2 % и в связи с частичным вырождением турбулентности в мелкодисперсной структуре.

Процесс возникновения дискретной фазы в межлопаточных каналах решетки носит флуктуационный характер и сопровождается появлением конденсационной турбулентности, интенсивность которой значительна. Хорошо известно, что в суживающихся каналах большой конфузорности происходит частичное или полное вырождение гидродинамической турбулентности в пограничных слоях, т. е. имеет место ламинаризация слоя. Процесс ламинари-зации («обратного» перехода) в пограничных слоях особенно интенсивен при околозвуковых скоростях, когда продольные отрицательные градиенты давления достигают максимальных значений. Ламинаризированный слой отрывается местными адиабат-иыми скачками, и этот процесс сопровождается появлением жидкой фазы и турбулизацией слоя (генерируется конденсационная турбулентность). В результате отрыв слоя ликвидируется, вновь происходит ламинаризация слоя, появляется отрыв и т. д. В соответствии с перемещениями зоны отрыва происходят перемещения скачка уплотнения по спинке профиля в косом срезе, что вызывает пульсацию термодинамических параметров — давления и температуры [48, 52, 53, 124]. Механизм генерации пульсаций параметров при конденсации в сопловых и рабочих решетках «действует» и при дозвуковых скоростях и вызывает опасные возмущающие силы. Таким образом, переход в зону Вильсона сопровождается специфическими нестационарными явлениями, в основе которых лежат флуктуационный механизм возникновения жидкой фазы и генерации конденсационной нестационарности, периодические отрывы пограничного слоя. В тех случаях, когда частота процесса конденсационной нестационарности близка или кратна частоте волн, возникающих при взаимодействии решеток, амплитуда пульсаций давлений (и температур) резко возрастает — имеет место резонанс и дополнительные возмущающие силы достигают опасного предела.

В условиях эксплуатации получены данные, подтверждающие, что возникновение влаги ведет к значительному увеличению числа аварий лопаточных аппаратов [145], вызванных усталостными разрушениями. По-видимому, аварии происходят в результате резо-нансов в связи с появлением переменных газодинамических сил нового типа. Так, на основании анализа, проведенного в [145], установлено, что наибольшее число поломок лопаток происходило в области неравновесного влагообразования (в зоне Вильсона). Имеются и другие опытные данные, подтверждающие, что с появлением влажности возникают новые возмущающие силы различной природы: 1) связанные с генерацией конденсационной турбулентности в пограничном слое и ее частичным вырождением в кон-фузорном течении; 2) обусловленные волновым взаимодействием сопловых и рабочих решеток; 3) вызванные перемещающимися скачками конденсации (в сверхзвуковых решетках с расширяющимися межлопаточными каналами).

С целью углубления и расширения сведений о механизме конденсационной турбулентности проведены эксперименты, результаты которых показывают влияние чисел Маха и Рейнольдса и уровня гидродинамической турбулентности на интенсивность пульсаций в пограничном слое вблизи состояния насыщения. Увеличение числа MI
Эксперименты подтвердили, что амплитуды пульсаций Аро' снижаются при увеличении числа MI (рис. 6.5, а) ' и уменьшении числа Rei (рис. 6.5,6, в). Следовательно, основные критерии Мь Re! влияют на изменение интенсивности конденсационной турбулентности так же, как и гидродинамической. Эти результаты подтверждают тесную взаимосвязь физически различных механизмов турбулентности. Гидродинамическая турбулентность играет решающую роль в возникновении конденсационной турбулентности (см. § 3.2), стимулирует нестационарный процесс фазовых переходов. В основе этих сложных явлений лежит флуктуационный механизм, который необходимо рассматривать на молекулярном уровне. Вместе с тем следует подчеркнуть и принципиальные различия двух физических процессов: гидродинамическая турбулентность сохраняет систему гомогенной, а конденсационная турбулентность возникает при фазовых переходах. Переход через состояние насыщения сопровождается пульсационным процессом, природа которого, как отмечалось выше, связана с появлением и испарением неустойчивых зародышей жидкой фазы и поведением мелких капель.

Отмечая взаимосвязь и одновременно очевидные различия механизмов гидродинамической и конденсационной турбулентности, следует подчеркнуть необходимость дальнейших исследований этих сложных явлений1. Рассмотрим более подробно влияние числа Рейнольдса (по графикам на рис. 6.5,6). При минимальном значении Rei=l,9-105 гидродинамическая и конденсационная турбулентность не обнаружены. Данные на рис. 6.5 получены при различных начальных давлениях и, следовательно, для разных отношений плотностей p = p2/pi- Так, зависимости hpo'(z) для разных Ret на рис. 6.5, б характеризуются существенно переменными значениями р<32280. Следовательно, кривые /—4 отражают влияние не только числа Re, но и р. Профиль скорости в пограничном слое

Снижение ?, Ъ, 8* и б** в зоне 1,0<7г80<1,03 объясняется сложными изменениями структуры турбулентности. Приведенные выше характеристики пограничного слоя получены при высокой степени турбулентности перед соплом (E^^S %) и мелких каплях диаметром dK=0,15-=-0,25 мкм (при 7г5<»<1,015 или у0^1,5 %). Следовательно, результаты обсуждаемых опытов должны быть также рассмотрены под углом зрения взаимодействия гидродинамической и конденсационной турбулентности. Выше отмечалось [38], что в кон-фузорных потоках однофазной среды имеет место частичное или полное вырождение турбулентности как в пограничных слоях, так и в ядре потока. Если пар перед соплом слабо перегретый или сухой насыщенный, то вблизи выходного среза сопла интенсивность пульсаций возрастает и достигает максимальных значений при 7zso~0,98. Это означает, что генерируемая флуктуационным механизмом конденсации высокая турбулентность при данных числах Mt = 0,65 и Rei = 2,34-106 подавляет механизм вырождения гидродинамической турбулентности, обусловленный воздействием отрицательных градиентов давления на пограничный слой и ядро потока.

жить, что гидрофобная мономолекулярная пленка образуется как на устойчивых, так и на неустойчивых зародышах, возникающих в зоне Вильсона. Очевидна важная роль, которую играет пленка в процессе формирования конденсационной турбулентности: интенсивность пульсаций, создаваемых появлением и исчезновением неустойчивых зародышей (частичным испарением или конденсацией устойчивых капель), существенно снижается, так как поверхностное натяжение воды с добавкой ОДА резко снижается (рис. 9.1). Разрушение и формирование зародышей при наличии ОДА сопровождается менее значительными колебаниями давлений. Вместе с тем флуктуационный характер процесса возникновения зародышей объясняет появление дискретной фазы перед скачком конденсации.

В условиях необходимости всемерного сокращения расхода органического топлива в европейской части страны и ограничения строительства новых ТЭЦ значительную экономию топлива предусмотрено получить за счет снижения числа часов использования ТЭЦ в режиме конденсационной выработки электроэнергии и соответственного увеличения доли выработки электроэнергии по теплофикационному циклу как на электростанциях Минэнерго СССР, так и на .промышленных ТЭЦ.

максимальное повышение экономичности ТЭЦ, в том числе за счет резкого сокращения конденсационной выработки;

Предусматриваемые на одиннадцатую пятилетку вводы мощностей на электростанциях обеспечивают бесперебойное и экономичное электроснабжение народного хозяйства. Структура намеченных вводов мощности позволяет обеспечить покрытие пиковой переменной части суточного графика нагрузки, повышение экономичности ТЭЦ за счет резкого снижения конденсационной выработки электроэнергии на них и доведения выработки по теплофикационному циклу не менее чем до 80% общей выработки ТЭЦ. Исходя из указанных вводов энергетических мощностей использование установленной

Улучшение структуры производства электроэнергии на ТЭС Минэнерго СССР достигнуто за счет увеличения выработки высоко-экономичными энергоблоками и теплофикационными агрегатами давлением 13—24 МПа и сокращения использования и уменьшения конденсационной выработки оборудованием давлением 9 МПа и ниже, в том числе путем демонтажа наиболее устаревшего и физически изношенного оборудования. За годы десятой пятилетки на электростанциях страны демонтировано 4,8 млн. кВт устаревшего низкоэкономичного оборудования. В 1980 г. конденсационная выработка агрегатов давлением 9 МПа и ниже сокращена по сравнению с 1975 г. на 16,4 млрд. кВт-ч (13%), что позволило уменьшить расход топлива в 1980 г. почти на 1 млн. т условного.

рование выработки электроэнергии и отпуска тепла в широких пределах изменения режимов нагрузки путем регулирования конденсационной выработки электроэнергии. Конденсационные турбогенераторы с регулируемым отбором пара, как правило, могут развивать полную электрическую мощность при выключенном отборе, однако их тепловая экономичность при' снижении величины отбора понижается. Длительная работа таких турбогенераторов с полной электрической мощностью при малых тепловых нагрузках нецелесообразна (например, длительная работа в летнее время турбин с отбором пара на отопление). Выработка электроэнергии турбогенераторами этого типа должна, по возможности, соответствовать режимам их тепловой нагрузки. В периоды малой тепловой нагрузки целесообразно переводить конденсационную выработку электроэнергии с этих турбогенераторов на чисто конденсационные, имеющиеся на ТЭЦ или в данной электроэнергетической системе, выключая часть теплофикационных турбогенераторов, если это возможно по условиям нагрузки, электрической и тепловой.

Как правило, турбины П должны работать параллельно с турбинами с конденсацией пара (К, КО). Поэтому снижение выработки электроэнергии турбогенераторами П при высоком к. п. д. ч\Тэ требует повышения конденсационной выработки электроэнергии турбогенераторами типа К, КО при более низком к. п. д., \ и t\Ta, что приводит к снижению суммарного к. п. д. т)Г2 установок с турбинами П и К (КО). Таким образом, турбины П, как и турбины К, КО и КОО, должны конструироваться с возможно высоким к. п. д. f\it обеспечивающим высокую выработку электроэнергии, т. е. с высокими к. п. д. t\o. и широкими пределами рабочего процесса.

Из табл. 22 видно, что повышение давления отбора (или противодавления) турбины существенно понижает выработку электроэнергии на тепловом потреблении (на 15—20% в данном примере), вызывая, таким образом, необходимость дополнительной конденсационной выработки электроэнергии с низким к. п. д.

где В„ — расход топлива при раздельной выработке электрической энергии и теплоты; бт — расход топлива при теплофикации. Расход условного топлива, кг, на комбинированную выработку электрической энергии на ТЭЦ (без учета конденсационной выработки) может быть определен по формуле

где r)JK — внутренний абсолютный КПД конденсационной выработки на КЭС с учетом регенерации.

где Г?т — внутренний абсолютный КПД конденсационной выработки электроэнергии на ТЭЦ с учетом регенерации, определяемый по формулам, аналогичным (4.17) — (4.20). На рис. 4.4 приведены значения b^ K для теплофикационных турбин разного ти-

па в зависимости от доли конденсационной выработки при работе на твердом топливе. При газомазутном топливе величина Ьэтк снижается на 4—5 %.