Особенности течения воздуха в лопаточных венцах осевого компрессора

Потери в лопаточных венцах Один рад лопаток РК (расположенных по всей его окружности) или такой же ряд лопаток НА, как уже отмечалось, называется лопаточным венцом РК или НА.

Гидравлические потери в лопаточных венцах могут быть условно разделены на следующие четыре части:

а) профильные потери в компрессорных решетках, связанные со всеми особенностями реального обтекания профилей в решетке (в отличие от идеального), т.е. потери на:

-трение

- вихреобразование, возникающие при обтекании лопаток в решетке, и

- волновые потери, связанные с возникновением (при больших дозуковых или же сверхзвуковых скоростях набегающего на решетку потока) скачков уплотения;

б) концевые (торцевые) потери, связанные с образованием пограничного слоя на стенках корпуса и втулки, ограничивающих межлопаточный канал по высоте (скребковый эффект);

в) вторичные потери, связанные с возникновением поперечных перетеканий воздуха в межлопаточном канале и вызванным ими отрывом потока;

Давление на корытце правого на этой схеме профиля значительно больше, чем на спинке соседнего (левого) профиля. Вдали от торцевых стенок этот перепад компенсируется центробежными силами, возникающими при повороте потока, т.е. при кривизне линий тока. Но в пограничных слоях на торцевых поверхностях (верхней и нижней на рис.) скорость воздуха значительно снижена, и поэтому пропорциональные квадрату скорости (при донном радиусе поворота) центробежные силы уже не могут противостоять этому перепаду давлений. В результате в приторцевых областях возникает поперечное перетекание части воздуха от корытца к спинке соседнего профиля, который затем вынужден стекать к средним сечениям лопаточного венца и затем обратно к корытцу правого профиля. Образуется так называемый парный вихрь. Этот процесс обычно сопровождается местными отрывами потока.

г) потери, связанные с наличием ра­диального зазора между вращающимися и неподвижными элементами проточной части компрессора.

В реально выполненных ступенях осевого компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью корпуса, как уже указывалось, всегда имеется конструктивный радиальный зазор Dr. Радиальный зазор может существовать также между поверхностью втулки и лопатками НА, если они закреплены только на корпусе. При этом реальный зазор в рабочем состоянии компрессора может заметно отличаться от монтажного (контролируемого при сборке компрессора) вследствие радиальных деформаций деталей ротора и корпуса под действием центробежных и газовых сил и вследст­вие их теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочий зазор оказывается меньше монтажного. А у некоторых двигателей в инструкции по эксплуатации указывается минимальное время, которое должно быть выдержано до повторного запуска двигателя после его выключения, так как при выключении двигателя статор (корпус) компрессора остывает быстрее ротора, в результате чего радиальные зазоры в его ступенях могут вообще исчезнуть на это время, т.е. ротор ²заклинит².

Наличие радиального зазора оказывает существенное влияние на работу ступени. Под влиянием разности давлений на вогнутой стороне и на спинке лопатки происходит перетекание некото­рой части воздуха через зазор. Относительное перемещение кон­цевого сечения лопатки компрессора и корпуса способствует перетеканию. Кроме того, под воздействием струи воздуха, текущего через зазор, на периферии возникает вихревое течение, направление которого противоположно направлению вращения парного вихря.

Перетекание (утечка) воздуха через радиальный зазор приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки (набегающей на поток) и к повышению его на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Этот эффект наблюдается на участке лопатки, превышающем сам зазор примерно в 5 раз.

Искажение эпюр распределения давлений по хорде и по высоте лопатки на этом участке носит сложный характер. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени. Бесполезные затраты энергии на перетекание воздуха через зазор и на создание вихревого течения у концов лопаток вблизи зазора обуславливают падение КПД ступени. Всё это приводит к снижению напора (адиабатной работы) ступени.