Потери от срыва пограничного слоя

 

Отрыв потока от поверхности лопаток является одной из наиболее существенных причин, хотя и не всегда имеющих место, потерь при обтекании решетки. В местах отрыва образуются вихри, обуславливающие значительные потери энергии. При отрыве сужается проходное сечение канала, что может повлечь за собой уменьшение пропускной способности решетки и, следовательно, уменьшение расхода газа через турбину по сравнению с принятым в расчете.

Отрывы потока могут наблюдаться на входной части профиля, особенно когда угол атаки существенно отличается от нуля. Резкое изменение кривизны профиля, как это часто наблюдается на спинке лопатки при переходе криволинейного очертания в плоское у выходной кромки, почти всегда вызывает отрыв потока.

На эпюре давлений по профилю отрыв потока характеризуется обычно наличием диффузорного участка с последующим участком постоянного давления. Для безотрывного обтекания благоприятны профили с плавно изменяющейся кривизной, при этом радиус кривизны должен постепенно возрастать от входа к выходу.

Типичная зависимость скоростного коэффициента ψ от угла β₁ для двух профилей показана на рис.5.2.

 

Рисунок 5.2 - Влияние угла входа потока в решетку β₁ на скоростной коэффициент ψ:

1 - с тонкой входной кромкой;

2 - с большим радиусом скругления входной кромки

 

 

Экспериментальные исследования показали, что на потери энергии от срыва потока влияют: угол атаки, радиус скругления входной кромки профиля и шаг решетки. Редкие решетки оказываются более чувствительными к изменению угла атаки, чем решетки с малым шагом.

Отрыв потока и связанное с ним вихревое движение внутри межлопаточного канала представляют собой очень сложное явление, поэтому аналитическое определение потерь, связанных с отрывом, оказывается очень трудоемким.

 

Кромочные потери

 

Кромочные потери возникают в результате взаимодействия пограничных слоев сходящих с вогнутой и выпуклой поверхностей лопатки за выходной кромкой и образованием за кромкой завихренной области - вихревого следа (см. рис. 5.1). Давление и скорость газа в вихревом следе меньше, чем в ядре потока, поэтому величины p ₁, c ₁ и α₁ являются переменными по шагу решетки. По мере удаления от решетки неравномерность параметров по шагу постепенно уменьшается. Процесс обмена энергией между потоками вихревого следа и ядра потока протекает с потерями, в результате чего средняя кинетическая энергия потока уменьшается.

Кромочные потери учитываются коэффициентом ζ_кр кромочных потерь. Его значение зависит главным образом от относительной толщины выходной кромки s /a, где s - толщина выходной кромки; а - размер горла межлопаточного канала. Приближенно коэффициент кромочных потерь можно определить по формуле

,                                         (5.4)

где k =0,1 – 0,22 - опытный коэффициент.

Для снижения кромочных потерь энергии толщины s выходной кромки в современных профилях уменьшается до 0,3-1,0 мм. Меньшие значения относятся к лопаткам, работающим в области перегретого пара, большие к лопаткам газовых турбин (для повышения их износостойкости).

 

Волновые потери

 

Скорость газа на выходе из решетки может быть звуковой или сверхзвуковой; последняя обычно достигается в косом срезе сопла или в решетках с расширяющимися каналами. Возможно достижение в лопаточных каналах звуковой или сверхзвуковой скорости даже в том случае, если скорости на входе в решетку и на выходе из нее являются дозвуковыми. Это может наблюдаться при достаточно высокой дозвуковой скорости входа в решетку на спинке профиля в месте максимума отрицательного давления. Большой шаг решетки и значительная кривизна профиля способствуют образованию здесь сверхзвуковых скоростей.

Переход сверхзвуковой скорости в дозвуковую происходит скачкообразно с образованием тонкого слоя сжатого газа, называемого скачком (волной) уплотнения. В зависимости от формы канала и скорости потока скачок уплотнения может быть прямым (плоским), если фронт его волны распространяется перпендикулярно скорости потока, или косым, если фронт волны составляет с направлением потока острый угол.

На образование скачка уплотнения затрачивается кинетическая энергия, которая в скачке переходит в потенциальную, в результате давление и температура в слое сжатого газа повышаются. Процесс сжатия в скачке уплотнения протекает с потерями, поэтому его образование сопровождается ростом энтропии. Скорость и кинетическая энергия потока за скачком уплотнения меньше, чем до него. Особенно сильно уменьшается скорость в плоском скачке уплотнения, при прохождении через который скорость потока становится меньше скорости звука. При прохождении сверхзвуковым потоком косого скачка уплотнения скорость за ним может оставаться больше скорости звука. Отсюда следует, что волновые потери наибольшие, если в потоке возникают плоские скачки уплотнения. Чтобы уменьшить волновые потери, входную кромку обтекаемого сверхзвуковым потоком тела надо выполнять заостренной в отличие от каплеобразной формы входной кромки, характерной при дозвуковом потоке.

Таким образом, профильные потери зависят не только от числа Re, но и от числа М. Для большинства современных турбинных решеток с суживающимися каналами критический режим течения наступает при M _{c 1} =0.9 1.0 и M _{w 2} =0.80 0.95 в зависимости от формы профиля и геометрических размеров решеток.

Концевые потери энергии

Концевые потери энергии возникают в областях межлопаточного канала примыкающих к торцевым ограничивающим поверхностям. Они складываются из потерь от трения в пограничном слое на торцевых стенках каналов и потерь от парного вихря.

Потери от трения в пограничном слое на торцевых стенках каналов имеют одинаковую природу с потерями от трения в пограничном слое на поверхности лопатки.

Сущность потери от парного вихря заключается в следующем. Давления на вогнутой и выпуклой поверхностях профиля неодинаковые. В сечениях, удаленных от торцевых поверхностей эта разность давлений уравновешивается центробежной силой, возникающей при движении потока по криволинейной траектории в межлопаточном канале (рис.5.3). В пограничном слое у торцевой поверхности поток подторможен, и центробежная сила уже не может уравновесить градиент давления между вогнутой поверхностью и выпуклой поверхностью соседнего профиля. В связи с этим в пограничном слое на торцевой стенке происходит перетекание рабочей среды от вогнутой поверхности к спинке с более низким давлением. В результате перетекания у выпуклой поверхности вверху и внизу лопатки вблизи стыка ее с торцевой стенкой возникают местные утолщения пограничного слоя. Взаимодействуя с основным потоком, утолщенные пограничные слои срываются со спинки вблизи выходной кромки и образуют два вихря, вращающихся в противоположных направлениях. Это явление называется парным вихрем.

При наличии открытого радиального зазора имеют место перетекания через торцевую поверхность лопаток. Эти перетекания, взаимодействуя с основным потоком, образуют вихревой след за выходной кромкой лопатки. Перетекание через открытый радиальный зазор уменьшают интенсивность вторичных течений в межлопаточных каналах.

 

 

Рисунок 5.3 - Схема вторичных течений

в межлопаточных каналах:

1 - вторичный поток;

2 - перетекания через радиальный зазор;

3 - основной поток

 

 

Потери энергии в межлопаточных каналах существенно повышаются при взаимодействии корневого и периферийного вихрей и могут достигать 30%. Взаимодействие вихрей наблюдаются в решетках с относительно короткими лопатками . Во избежание значительной потери энергии относительную высоту лопаток, стремятся принимать более , которая определяется опытным путем. На практике это условие часто оговаривается тем, что абсолютная высота лопаток в турбинной ступени должна быть больше 12 15 мм (в компрессорной ступени - больше 20 30 мм).

Для определения коэффициента концевых потерь может быть использована формула

,

где с = 0.07 0.18 - коэффициент, полученный опытным путем.