Потери от трения в пограничном слое

Потери от трения в пограничном слое возникают из-за вязкости рабочей среды в связи с движением частичек газа с различной скоростью по толщине пограничного слоя. В ядре потока, где скорости частичек мало меняются, потери от трения, как и другие гидравлические потери отсутствуют.

Потери от трения в пограничном слое зависят от толщины пограничного слоя и характера движения в нем рабочей среды. В свою очередь, толщина пограничного слоя определяется степенью шероховатости поверхности лопаток и числом Re. В зависимости от Re движение среды в пограничном слое может быть ламинарным или турбулентным. На некотором участке профиля существует переходная область движения. Потери энергии в турбулентном пограничном слое существенно больше, чем в ламинарном.

Толщина пограничного слоя δ и эпюра скоростей в нем меняются по контуру профиля (рис. 5.1, а). У входной кромки толщина пограничного слоя невелика, движение среды в слое обычно ламинарное. За входной кромкой толщина пограничного слоя увеличивается, особенно на вогнутой поверхности, с учетом торможения потока лопаткой. В дальнейшем пограничный слой на вогнутой поверхности ближе к выходной кромке начинает уменьшаться в связи с интенсивным ускорением потока. Ламинарное течение в слое на некотором участке переходит в турбулентное.

На спинке толщина пограничного слоя быстро уменьшается на участке за наибольшей кривизной профиля, где наблюдается самое резкое увеличение скорости, и вновь возрастает у выходной кромки в связи с уменьшением скорости из-за образования диффузорного участка (рис. 5.1, б).

Приведенные на рис. 5.1 схема пограничного слоя и эпюры скоростей характерны для безотрывного обтекания потоком лопатки, что имеет место при небольшом угле атаки. Последний для современных рабочих лопаток с закругленной входной кромкой колеблется в пределах от +(2÷3)⁰ до –(3 8)^0.

Исследования показывают, что большая часть лопаточного аппарата паровых и газовых турбин, за исключением последних ступеней паровых турбин работает в зоне автомодельности по числу Re. Так как число Re является переменным по контуру профиля, для турбинных решеток оно определяется по формулам

, ,                  (5.3)

где b ₁, b ₂ - соответственно хорда профиля сопловых и рабочих решеток;

c ₁, w ₂ - скорость потока на выходе из решетки;

ν₁, ν ₂ -коэффициенты кинематической вязкости.

Рисунок 5.1 - Схема пограничного слоя на профиле:

а - эпюра скоростей в пограничном слое;

б - образование диффузорного участка

По мере эксплуатации турбин шероховатость лопаток увеличивается, поскольку происходят процессы эрозии и коррозии, отложения солей, продуктов сгорания и т.п. Увеличение шероховатости приводит к росту потерь.

По опытным данным потери энергии от трения в решетках при безударном входе и дозвуковом режиме течения составляют: ζ_тр = 0.015+0.02 для сопловых и ζ_тр = 0.03+0.05 для рабочих (большие значения характерны для активных ступеней).