0. 9.1.4 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 большой 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 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_С1=0.91.0 и M_W2=0.800.95 в зависимости от формы профиля и геометрических размеров решеток.

1. 9.2 Концевые потри 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.3.3). В пограничном слое у торцевой поверхности поток подторможен и центробежная сила уже не может уравновесить градиента 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.

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 1215 мм (в компрессорной ступени - больше 2030 мм).

Для определения коэффициента концевых потерь может быть использована формула

,

где с = 0.070.18 - коэффициент, полученный опытным путем.