Потери энергии в турбинных решетках

Общие (суммарные) потери в решетке, оцениваемые коэффициентом потерь , представляют собой сумму профильных и концевых потерь: .

В свою очередь профильные условно разделяют на потери трения, кромочные и волновые: .

Потери трения связаны с течением в погранслоях на вогнутой поверхности и спинке лопатки вдали от ее концов, т.е. эти потери определяются трением на профиле лопатки, а также потерями энергии в случае отрыва потока от этих поверхностей. Чем больше толщина погранслоя, тем больше потери трения.

Кромочные потери связаны с вихреобразованием за кромками профиля, а также с внезапным расширением потока за кромками. При сходе с кромок поток отрывается и за кромками образуются вихри, которые периодически сносятся вниз по потоку. Стекающие с ободов профиля пограничные слои и вихри за кромками образуют так называемый кромочный след (рис.34), в котором наблюдается значительная неравномерность параметров потока: значений и направлений векторов скоростей, статического давления и др. Наибольшая неравномерность параметров наблюдается непосредственно за кромкой.

Кромочные потери энергии в решетке определяются, главным образом, отношением толщины выходной кромки профиля к размеру горла решетки на выходе .

Волновые потери связаны с образованием в потоке при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях на выходе из решетки скачков уплотнения. Скачки уплотнения в потоке воздействуют на пограничный слой на профиле, вызывая его утолщение и иногда отрыв, что приводит к возрастанию потерь энергии в решетке. Кроме того, в скачках уплотнения происходит диссипация энергии, которая также увеличивает потери энергии в решетке. Волновые потери энергии возрастают вместе с увеличением числа М потока в решетке, т.е. .

Концевые потери связаны со вторичными течениями, которые определяются поперечным градиентом давления в канале решетки, пограничным слоем, образующимся на торцевых стенках канала, а также пограничным слоем на спинке профиля. Под действием градиента давления частицы погранслоя, находящегося под действием сравнительно небольших центробежных сил из-за малых скоростей, приобретают поперечные составляющие скорости. Благодаря этому возникает завихренность торцевого погранслоя, который перетекает в направлении от вогнутой поверхности к спинке соседнего профиля. На спинке, в результате взаимодействия двух слоев – основного и стекающего вниз по спинке торцевого, образуется утолщение погранслоя. Вблизи концов лопаточного канала в потоке наблюдается вихревое течение, называемое вторичным вихрем. На величину концевых потерь оказывают влияние относительная высота лопаток, угол поворота , относительный шаг , форма профиля, , числа М и Re. Изменение концевых потерь под влиянием указанных факторов возникает за счет изменения перепада давлений в направлении от вогнутой поверхности к спинке лопатки, изменения толщины погранслоя на торцевых поверхностях и на спинке профиля.

Рисунок 34 - Схема распределения толщины пограничного слоя по профилю лопатки для безотрывного течения (а) и для течения с отрывом потока от спинки (б)

При изменении относительной высоты суммарные потери энергии в решетке зависят от изменения концевых потерь , которые с уменьшением высот лопаток возрастают линейно. Таким образом, при малых относительных высотах как в сопловых, так и рабочих лопатках потери энергии велики. Поэтому, проектируя проточную часть турбинной ступени, лопатки следует выполнять с повышенной относительной высотой.