Принцип действия и классификация турбинных ступеней., страница 8

4.2. Структура потока в ступени

Пространственная структура потока в ступени характеризуется окружной неравномерностью потока за решеткой и наличием неравно­мерности потока по высоте лопаток.

Первая из них, как уже отмечалось, связана с поворотом пото­ка в решетке, влияние которого проявляется в структуре аэродинами­ческого следа за профилем в решетке. Напомним, что структура следа, как показывалось в газовой динамике, зависит от соотношения соста­вляющих профильных потерь, а именно: потерь в пограничном слое на профиле, кромочных потерь, потерь, связанных с отрывом потока, а также потерь в скачках уплотнения и от воздействия скачков с пог­раничным слоем. Последние возникают только при сверхзвуковых ско­ростях.

Неравномерность потока по высоте лопаток вызывается двумя при­чинами. Первой является наличие радиального градиента давлений в ступени, обусловленного кривизной траекторий частиц в соответствии с конфигурацией поверхностей вращения, ограничивающих решетки у корня и периферии ступени. Эта неравномерность по высоте вызывает­ся силами инерции. Она не связана с вязкостью рабочего тела и имела бы место также при течении в ступени идеального газа. Влияние отмеченных обстоятельств проявляется тем сильнее, чем меньше от­ношение  в ступени (4<<12). Второй причиной наличия неравномерности потока по высоте лопаток является вязкость, из-за которой возни­кают пограничные слои, вторичные токи и вихреобразования у корня и периферии сопловых и рабочих венцов. В газовой динамике эти яв­ления рассматривались при анализе причин, вызывающих так называ­емые концевые (вторичные) явления и соответствующие потери механической энергии потока.

Окружная и радиальная неравномерность, которой характеризует­ся пространственная структура потока, проявляется и в выделенных нами контрольных сечениях ступени. Рабочие лопатки при своем дви­жении пересекают закромочные следы и вихревые шнуры, существующие за сопловыми лопатками. Следы за рабочими лопатками пересекаются последующими сопловыми лопатками. В комплексе этот процесс приво­дит к макротурбулизации потока в ступени. При вращении рабочего венца каждая рабочая лопатка снова и снова пересекает следы всех сопловых лопаток. В связи с этим, неустановившийся турбулентный поток в турбинной ступени всегда является периодическим. Данное об­стоятельство определяет изменение структуры потока во времени.

4.3. Идеализация потока

в турбинной ступени и его расчетные схемы

Как всегда, встречаясь со сложным явлением, мы вводим в рас­смотрение его модели. При их построении учитываются главные черты явления и отбрасываются второстепенные.

Применительно к турбинной ступени идеализация явлений и пост­роения расчетных схем течения основываются на концепции пол­ностью уплотненной   ступени, в которой от­сутствуют какие-либо паразитные протечки и связанные с ними иска­жения потока в лопаточных венцах.

Эта концепция вполне реальна и находит практическое примене­ние, например, на ЛМЗ при исследованиях модельных ступеней в экс­периментальных воздушных турбинах.

В ходе исследований измеряют КПД ступени при различных зазо­рах у бандажа  (рис.12,а). На базе проведенных опытов строятся зависимости  КПД и степени реактивности ступени от величины этого зазора. Экстраполяция этих зависимостей на нулевой зазор =0 (рис.12,б) позволяет определить характеристики ступени, со­ответствующие концепции «полностью уплотненная ступень». Поэтому такое понятие соответствует некоторому предельному варианту ступе­ни, в которой влияние зазоров на течение исключено.

Имея характеристики ступени «при нулевом зазоре», можно учесть реальное влияние протечек путём введения специальных поправок (о них будет сказано в дальнейших разделах курса).

Рис.12. Влияние зазора у бандажа на характеристики турбинной сту­пени