Принцип действия и классификация турбинных ступеней., страница 5

В зависимости от конкретной схемы ступени различными оказываются и причины изменения закрутки потока в ее проточной части.  Далее мы подробнее остановимся на рабочем процессе названных ступеней, а также других, которые встречаются в практике: ступеней с одно­кратным и многократным использованием рабочего венца, ступеней двойного вращения. Следует отметить, что независимо от вида сту­пени принятая выше индексация контрольных сечений в ступени сох­раняется. Это обстоятельство отражено на рис.8.

3. Газодинамическая трактовка работы турбинной ступени

3.1. Схема течения в рабочей решетке

С точки зрения газодинамики крутящий момент в ступени созда­ется силами, возникающими в каждом межлопаточном канале рабочих лопаток при действии потока на его стенки. При рассмотрении венца рабочих лопаток в целом результирующая сила, вращающая его, является суммой сил, приложенных к стенкам всех каналов с обеих сторон каждой из рабочих лопаток, и сводится к действию на них сил давле­ния и трения.

В настоящее время нет сомнений в том, что в лопаточных маши­нах решающую роль в формировании окружного усилия, создающего вра­щающий момент, играют силы давления. Силы трения играют косвенную роль, вызывая уменьшение работы, которую дает ступень. При отсут­ствии сил трения для работы ступени было бы достаточно наличия од­них сил давления.

Выше при рассмотрении работы турбинной ступени с позиций тер­модинамики и теоретической механики мы не накладывали каких-либо ограничений на требования, предъявляемые к потоку рабочего тела. Его можно было считать установившимся, неустановившимся, равномер­ным, неравномерным и т.д. Рассмотрим, какой же является физическая схема потока в ступени. Для этого, следуя Н.Е. Жуковскому, рассечем венец рабочих лопаток цилиндрической поверхностью, коаксиальной с осью вращения, и развернем полученное сечение на плоскость (рис.9).

В целях простоты будем считать поле скоростей на входе в рабочую решетку однородным, оставляя в стороне вопрос об обеспечении нуж­ного направления дозвукового потока перед ней, поскольку оно обес­печивается сопловым аппаратом.

При прохождении решетки рабочих лопаток поток меняет свое направление. В связи с этим давление на вогнутой стороне канала, например, в сечении а-б произвольного канала (рис.9) повышено по сравнению с давлением на его выпуклой стороне. На линии а-б, па­раллельной фронту решетки, параметры потока меняются в окружном направлении. Давление от точки а к точке б  уменьшается, ско­рость увеличивается.

Поскольку та же картина повторяется и в следующем канале, то оказывается, что на каждой рабочей лопатке из-за отмеченной окруж­ной неравномерности давление на выпуклой стороне меньше, чем  на вогнутой ( >). Эта разность давлений дает результирующую си­лу, имеющую окружную составляющую, которая совпадает с направлени­ем вращения и вызывает появление вращающего момента. Окружная не­равномерность потока в межлопаточном канале, связанная с изменени­ем его направления, является обязательным условием возникновения окружного усилия и вращающего момента. Принципиально она не зави­сит от действия в потоке сил вязкости, и должна была бы существовать и при ее отсутствии.

В реальном потоке на стенках межлопаточного канала возникает пограничный слой. Его наличие вызывает дополнительную окружную не­равномерность поля скоростей, поскольку в пределах пограничного слоя скорость резко падает от ядра потока к стенке и на самой стен­ке равна скорости ее движения. Заметим, что в пределах межлопаточного канала доля его сечения, занятая пограничным слоем, невелика. По мере приближения к сечению выходных кромок окружная неравномер­ность поля давлений и скоростей уменьшается.