Пульсациями параметров

Судаков А.В., Трофимов А.С. Напряжения при пульсациях температур.-М.: Атомиздат, 1980.- 64 с.

1.2. Напряженное состояние элементов и долговечность при пульсациях температур

Если для получения информации о пульсациях температур в настоящее время разработаны экспериментальные методы, то измерить напряжения в этих условиях не представляется возможным по следующим причинам: напряжения локализуются на площадях, меньше базы существующих тензометров; отсутствуют надежные тензодатчики, работающие в пароводяной среде и при высоких температурах; трудно компенсировать температурную составляющую тензометров.

При пульсациях температур в элементах энергооборудования возникают температурные градиенты, которые инициируют соответствующие им термоупругие напряжения.

ошибок в результаты расчета по сравнению с выражением (2.1). Таким образом, задача определения температурных напряжений при пульсациях температур сводится к построению переменной составляющей температуры по толщине стенки.

2. Следует получить информацию о пульсациях температур поверхности элемента. Наиболее ценными являются результаты непосредственных измерений. В тех случаях, когда имеются данные по пульсациям температур теплоносителя, их следует пересчитать на поверхность с помощью соответствующей модели. Иногда (особенно на стадии проектирования) в лучшем случае можно расчетом оценить предельный размах колебаний температуры (2.63).

Все рассмотренные методы применимы для оценки долговечности при действии симметричных и асимметричных циклов переменных температурных напряжений (процессы с детерминированной частотой). Напряжения при пульсациях температур лишь весьма грубо могут быть описаны конечным числом циклов, поскольку являются неупорядоченной случайной величиной. В этих условиях наиболее точные результаты может обеспечить статистический подход к оценке долговечности.

Этот метод основан на корреляционной теории случайных процессов, и удобство его использования для наших целей определяется в первую очередь тем, что исходная информация о пульсациях температур может быть представлена в виде корреляционных функций и спектральных плотностей, по которым достаточно удобно и просто можно определить соответствующие характеристики напряжений. В принципе, имея запись пульсаций температур, можно, пользуясь методами термоупругости, пересчитать ее в напряжения и при оценке ресурса использовать любые методы, приведенные, например, в работе [36]. Но это сопряжено с большими расчетными трудностями. Учитывая сравнительно низкую точность усталостных характеристик, а также то обстоятельство, что расчеты чаще всего носят оценочный характер, такое усложнение вряд ли на сегодняшний день является оправданным. В методике Болотина предполагаются известными кривая усталости материала и статистические нагрузки. Если известны уравнение кривой усталости

В качестве примера расчета статистических характеристик напряжений рассмотрим их определение на поверхности парогенерирующей трубы при пульсациях температур в зоне перехода к ухудшенному теплообмену. На рис. 4.6 приведен пример пульсаций температур и результаты их статистической обработки, полученные в экспериментах, описанных в гл. 3, при следующих параметрах: температура натрия Тн =740 К, массовая скорость pW= 1500 кг/м -с,

В качестве примера рассмотрим оценку долговечности парогенерирующей трубы из стали 12Х2М диаметром 16x2,5 мм при пульсациях температур, представленных на рис. 3.8. Характеристики материала приведены выше. Максимальный тепловой поток, отнесенный к внутренней поверхности трубы в зоне перехода к ухудшенному теплообмену, составляет 6,98x1 05 Вт/м2, температура греющего теплоносителя в ^районе переходной зоны 673 К, массовая скорость испаряемой среды 900 кг/м^ с, давление 14,7 МПа.

Как следует из выполненной оценки, продолжительность работы поверхности нагрева без трещинообразования при приведенных на рис. 3.8 пульсациях температур составит 5-15 тыс. ч.

Процессы фазовых переходов и движение влажного пара в проточной части турбин сопровождаются пульсациями параметров, обусловленными высокой турбулентностью и периодической нестационарностью потока. Поэтому в практику исследования влажнопаровых потоков необходимо вводить малоинерционные измерители давлений и температур. В газодинамической лаборатории МЭИ используются различные малоинерционные измерители давлений: емкостные, тензо-метрические, индуктивные, пьезокерамические.

Схемы на рис. 3.3 подтверждают соображения о различных механизмах образования, пленок и уноса части пленочной влаги в ядро потока. К сказанному выше необходимо добавить, что «индивидуальность» движения даже мелких капель обусловлена: «фонтанирующим» эффектом входных кромок; пульсациями параметров потока, вызванными периодической нестационарностью, турбулентностью и акустическими эффектами; вихревыми системами при расчетных и нерасчетных режимах.

Хорошо известно [38], что интенсивность первичной и отраженной волн разрежения, внутренних и внешнего кромочных скачков зависит от числа М4 на выходе из решетки. При числах MI 3*1,10 интенсивность первичной и отраженной волн разрежения оказывается достаточной для достижения предельного переохлаждения и, следовательно, появления скачка конденсации / (рис. 3.5, а). Последующее увеличение М4 практически не меняет положения конденсационного скачка; внутренний кромочный // и отраженный /// скачки перемещаются по спинке и приближаются к внешнему кромочному скачку IV. Выпуклый участок спинки профиля в косом срезе за скачком /// генерирует распределенную волну разрежения С/. На режимах М)<1,10 интенсивность волн разрежения мала, поток не достигает предельного переохлаждения и скачок конденсации в пределах волн разрежения возникнуть не может. Внутренний кромочный и отраженный адиабатические скачки способствуют снижению переохлаждения за волнами разрежения. Поэтому, как указывалось выше, скачок конденсации /' перемещается по потоку в область распределенной волны разрежения (рис. 3.5,6). Очевидно, что в двух рассмотренных случаях структура сверхзвукового потока в косом срезе существенно различная. Однако условия для конденсационной нестационарности в обоих случаях не возникают. Действительно, в первом случае (рис. 3.5, а) скачок конденсации располагается в первичной и отраженной волнах разрежения и фиксируется в пределах этой зоны, которая характеризуется весьма большими скоростями расширения. Слабо выраженная нестационарность скачка конденсации может быть обусловлена лишь пульсациями параметров потока непосредственно за выходными кромками лопаток (рис. 3.11).

только под действием пульсаций параметров в вихревых следах и за внутренним кромочным и отраженным адиабатными скачками. В тех случаях, когда адиабатные скачки вызывают турбулизацию пограничного слоя на спинке профиля в косом срезе или его локальный отрыв, конденсационный скачок, расположенный ниже по потоку, может совершать колебательное движение на непротяженном участке. Природа такого колебательного движения обусловлена турбулентными пульсациями в косом срезе и пульсациями параметров в зоне локального отрыва, а также в закромоч-ных следах. Ограниченная миграция конденсационного скачка на участке до 20 % длины спинки в косом срезе возможна также под воздействием возмущений, создаваемых входными кромками рабочей решетки, вращающейся за сопловой.

Характер изменения А^ст'Сеа) в интервале 0,4<еа<0,52 свидетельствует о появлении резонансных явлений, причем существенно, что наибольшие амплитуды показывают датчики 2 и 4. Можно предположить, что в рассматриваемом диапазоне режимов система косых скачков уплотнения в выходном сечении сопла совершает колебательные движения. Колебания обусловлены пульсациями параметров в замкнутых отрывных зонах S\ и 52 и в основном изменениями давлений и скоростей перед Косыми скачками, возникающими благодаря миграции конденсационных скачков. Частота колебаний системы косых скачков может быть равна или кратна частоте миграции конденсационных скачков, что и приводит к резонансу в указанном диапазоне еа.

Следовательно, появление второго максимума Д/>ст' связано-с колебательным движением адиабатных скачков, располагающихся вблизи минимального сечения .сопла. Визуальные наблюдения в поле оптического прибора подтверждают возникновение колебательного движения адиабатных скачков. Подавление конденсационной нестационарности адиабатными скачками внутри сопла объясняется влиянием двух факторов: 1) скачки уплотнения повышают давление и температуру пара и «снимают» переохлаждение, устраняя механизм спонтанной конденсации; 2) скачки приводят к отрыву пограничного слоя, а в зонах отрыва интенсивно генерируется жидкая фаза. Увеличение амплитуд пульсаций в интервале 0,60<еа^0,72 обусловлено пульсациями параметров в зонах отрыва в расширяющейся части сопла, частота которых равна или кратна частоте пульсаций и перемещений адиабатных скачков, т. е. возникновением второго резонанса, не связанного с конденсационной нестационарностью.

срезе. В угловой точке А возникает центрированная волна разрежения, отражающаяся от стенки ВС. Перерасширение в отраженной волне «исправляется» косым скачком уплотнения АС и его отражением CD (рис. 6.15, а). Колебания системы двух скачков вызываются пульсациями параметров в отрывных зонах Si и S2. До косого среза течение стабильное сверхзвуковое. На выходе из сопла числа Mi>Mip, так как происходит ускорение потока в косом срезе, сопровождающееся отклонением в косом срезе.

В суживающемся сопле № 3 с косым срезом (см. табл. 6.1) при еа<е# конденсационная нестационарность не обнаружена. Этот результат подтверждает данные, приведенные в § 3.2 для решеток с суживающимися каналами. Вне зависимости от еа конденсационные скачки стационарно располагаются в волнах разрежения ABC. ' Вместе с тем форма конденсационного скачка и его-положение относительно выходного сечения зависят от еа- Значения Еа периодически меняются в результате пульсации в отрывных зонах S\ и S2 (рис. 6.16, а). Вблизи стенки косого1 среза конденсационный скачок сохраняет неизменную форму, а его элемент,, примыкающий к свободной границе, пульсирует и периодически исчезает. Эти результаты выявляют другой тип конденсационной нестационарности при околозвуковых скоростях, обусловленный пульсациями параметров на свободных границах.

При внезапном расширении происходит отрыв потока и образуются области вихревого движения с периодически возникающими и разрушающимися вихрями. Течение в зонах отрыва является периодически нестационарным, сопровождается высокоамплитудными пульсациями параметров. Пульсации давлений и температур распространяются в потоке и резко увеличивают интенсивность турбулентности. Следовательно, потери кинетической энергии обусловлены образованием отрывной зоны и вихреобразо-

во всех случаях неочевидна. Кроме того, его экспериментальное получение [11] не намного проще определения скорости горения. Наконец последняя группа работ, на которой следует остановиться, работы Л. А. Вулиса [12—14], Г. Н. Абрамовича [15, 16] и других авторов, в которых не принимаются во внимание пульсации температур в различных точках турбулентного факела пламени. При этом оказывается возможным решать различные, часто очень сложные задачи о горении газовых струй (диффузионное горение). Но кажется, что колебание температуры и других параметров в фиксированных точках факела очень важно и не может игнорироваться при построении способов расчета турбулентного горения. Недавние эксперименты И. В. Беспалова [17], доложенные на Первом симпозиуме по горению и взрыву, показали, что и в диффузионных факелах пульсации температур имеют очень большую амплитуду. Поэтому при пренебрежении пульсациями параметров для определения средней скорости реакции \ Q (Т)У допускается большая погрешность. На это обстоятельство обращали внимание Я. Б. Зельдович [18], Л. А. Вулис [19] и А. Г. Прудников [20]. Однако подчас это игнорируется.

Из описания процессов после потери газодинамической устойчивости следует, что они сопровождаются значительными колебаниями (пульсациями) параметров потока. Такие нестационарные явления всегда приводят, как уже было сказано, к возникновению больших вибронагрузок деталей компрессора и прилегающих к ним узлов двигателя. В ГТД переход режимов работы в левую ветвь характеристики компрессора сопровождается резким повышением температуры газа в турбине. Все это создает серьезные предпосылки к возникновению аварийной ситуации, поэтому при разработке ГТД должны приниматься меры, исключающие потери газодинамической устойчивости.

Рекомендуем ознакомиться:

Промышленное предприятие

Промышленного использования

Промышленного опробования

Промышленного производства

Промышленного транспорта

Промышленном отношении

Промышленностью выпускается

Процедура идентификации

Промышленности достаточно

Промышленности наибольшее

Промышленности практически

Меню:

Главная страница Термины