2.7.6 Потери в радиальном зазоре

В проточной части турбомашин между торцами рабочих лопаток и корпусными деталями всегда имеется конструктивный зазор . Этот зазор необходим для того, чтобы исключить касание ротора о статор при вращении РК. Его величина выбирается с учетом радиальной деформации деталей под действием газовых, тепловых и центробежных нагрузок. Аналогичный зазор иногда существует между нижним торцем направляющей лопатки компрессора и вращающимся валом.

Поскольку между спинкой и корытцем одной лопатки имеется градиент давления, то поток с корытца стремиться перетечь на спинку через зазор. Это течение на спинке взаимодействует с основным потоком, в результате чего формируется вихрь (рисунок 2.56 и 2.57). Причем этот вихрь находится вблизи периферийных вторичных вихрей, вращается в противоположную относительно них сторону и активно взаимодействует с ними.

Рисунок 2.56 – Структура течения в радиальном зазоре небандажированной лопатки

Рисунок 2.57 – Структура течения в радиальном зазоре небандажированной лопатки

Рисунок 2.58 – Взаимодействие вторичного течения и вторичного вихря

То есть потери в радиальном зазоре небандажированного лопаточного венца связаны не только с наличием вихря возникшего из-за перетекания рабочего тела в зазоре, но и с взаимодействием данного вихря со вторичными течениями, что усугубляет негативные влияния обоих видов потерь (рисунок 2.58).

Кроме того, поворот рабочего тела в области зазора недостаточен и это не позволяет получить в нем необходимую работу.

Величина потерь в радиальном зазоре зависит от относительной величины зазора и перепада давления между спинкой и корытцем. Например, увеличениена 1% приведет к снижению КПД ступени на 2%.

Перепад давления зависит от угла поворота потока в канале.

Существует несколько способов уменьшения потерь в радиальном зазоре. Наиболее радикальный связан с установкой бандажной полки на верхний торец лопатки. Бандажные полки соседних лопаток создают сплошное кольцо над лопатками, полностью исключая возможность перетекания рабочего тела с корытца на спинку. Однако существующий перепад давления между входом и выходом из РК приводит к возникновению течения в зазоре над бандажной полкой. Величина утечек уменьшает за счет установки на полке лабиринтных уплотнений. Из-за того, что утечка в зазоре не взаимодействует с вторичным вихрем потери энергии при наличии бандажа меньше, чем без него. Структура потока в зазоре бандажированной лопатки приведена на рисунке.

Рисунок 2.59 – Радиальный зазор над бандажированной лопаткой

Рисунок 2.60 – Структура потока в радиальном зазоре над бандажной полкой

2.7.7 Потери в осевом зазоре

Влияние осевого зазора связано с образованием закромочных следов за лопатками, а также наличием градиента давлений между спинкой и корытцем. Эти факторы приводят к тому, что поле скоростей за решеткой имеет существенную неравномерность (рисунок 2.61).

Рисунок 2.61 - Схема возникновения потерь связанных с влиянием осевых зазоров

Рассмотрим поле скоростей за неподвижным лопаточным венцом. Из-за перечисленных факторов поле скоростей за ним будет иметь вид, показанный на рисунке. Видно, что вдоль фронта решетки значение скорости меняется от до, в то время как расположенный ниже рабочий венец был спроектирован исходя из некоторого значения скорости. В результате при движении рабочего венца вдоль фронта неподвижного реальный треугольник скоростей будет периодически изменяться. В результате будут периодически меняться углы натекания потока на расположенный ниже по течению венец, причем величина угла будет отличаться от расчетного значения. Это обстоятельство будет вызывать периодические отрывы потока, что приведет не только к снижению КПД, но и увеличению вибрационных напряжений в лопатках.

Как отмечалось выше, неравномерность полей параметров за венцами уменьшается по мере удаления от выходных кромок. Поэтому потери в осевом зазоре можно уменьшить, увеличив величину зазора за что, однако, придется заплатить увеличением габаритов и массы турбомашины. Поэтому на практике величина осевого зазора оставляет примерно 20% от ширины венца.