2.7.2 Кромочные потери
За выходными кромками лопаток конечной толщины образуется разрежение (донный эффект). В эту зону разрежения стекают пограничные слои и подсасываются частички из ядра потока (рисунок 2.43). За решеткой образуется вихревая структура, так называемый закромочный след. Он является причиной существенной неравномерности потока за решеткой, что кроме всего прочего отрицательно сказывается на работе последующих венцов (рисунок 2.44). Сразу за кромкой скорости на оси следа существенно меньше, чем в ядре потока. При удалении от решетки скорости в ядре и следе постепенно выравниваются вследствие турбулентного смешения. Поток становится однородным по скорости, направлению и давлению; такое выравнивание потока происходит на достаточно большом протяжении, примерно равным одному – полутора шагам решетки.
Появляются потери кинетической энергии, которые называются кромочными. Величина кромочных потерь зависят в первую очередь от толщины выходной кромки и по величине соизмерима с потерями трения. В известной степени, кромочные потери аналогичны потерям от внезапного расширения.
Рисунок 2.43 – Закромочный след и его структура
Потери энергии, связанные с влияние закромочных следов в основном зависят от соотношения толщины выходной кромки и шага решетки:
где
- радиус выходной кромки лопатки;
- шаг решетки на выходе;
- угол выхода потока.
Рисунок 2.44 – Выравнивание закромочного следа
2.7.3 Потери связанные с отрывом потока
Качественно спроектированный венец обтекается потоком таким образом, что линии тока на расчетном режиме повторяют форму профиля. Однако часто поток отрывается от поверхности. Обычно это происходит из-за отклонения угла натекания от расчетного значения при изменении режима работы турбомашины или других причин. В местах отрыва и за ними образуются вихри. На их поддержание расходуется энергия, которая уже не используется на выполнение основной функции турбомашины. Она называется потерями на отрыв потока.
Потери на отрыв зависят от угла натекания потока на решетку. Если он близок к значению конструктивного угла, то потерь, связанных с отрывом, не наблюдается. Однако, если угол натекания отклонится от конструктивного угла, то появляется отрыв и потери связанные с ним. При положительном угле атаки отрыв происходит на спинке, при отрицательном – с корытца.
Причем в обоих случаях отрыв происходит вблизи входной кромки. Наличие отрыва существенно увеличивает профильные потери.
Рисунок 2.45 – Отрыв потока на корытце турбинной лопатки
Отрыв со спинки более разрушителен для структуры потока в межлопаточном канале из-за того, что он центробежными силами оттесняется от поверхности лопатки и активно взаимодействует с ядром потока. Отрыв со стороны корытца прижимается к поверхности лопатки центробежными силами и там локализуется, вызывая меньшие потери энергии.
Угол атаки, при котором поток оторвется от профиля, определяется радиусом входной кромки лопатки: чем она толще, тем больше угол атаки при котором происходит отрыв (профиль более атакоустойчив). Входные кромки турбинных лопаток обычно имеют значительную толщину. Поэтому качественно спрофилированная турбинная лопатка допускает работу при углах атаки до 10 без существенного увеличения потерь. Компрессорные лопатки имеют тонкие входные кромки. Их радиус исчисляется несколькими десятыми долями миллиметра. По этой причине отклонение угла потока от значения лопаточного угла даже на2...4приводит к появлению существенных потерь.
Потери на отрыв (если они возникают) являются одной из наиболее существенных составляющих общих потерь энергии в лопаточном венце.
Атакоустойчивость также зависит от относительного шага решетки. С ее уменьшением атакоустойчивость растет и наоборот.
Рисунок 2.46 – Типичная зависимость величины профильных потерь от угла натекания потока на решетку для компрессора (1) и турбины (2)