Потери, связанные с отрывом пограничного слоя

 

Отрыв пограничного слоя вызван тем, что при наличии положительного градиента давления (то есть давление растет в направлении движения газа) частицы газа в пограничном слое, обладающие малой кинетической энергией не могут преодолеть встречный градиент давления и начинают двигаться в направлении, противоположном направлению основного потока. Такое движение образует вихревую структуру, существование которой поддерживается притоком энергии из основного потока, то есть приводит к потерям.

Рост давления в направлении потока характерен для диффузорных каналов. Классическим примером является течение в прямоосном коническом диффузоре (рис. 7.13).

Рис. 7.13. Течение в прямоосном коническом диффузоре (Р ₂> Р ₁)

 

 

За точку отрыва пограничного слоя принимают точку с нулевым значением касательных напряжений на стенке

.

В отличие от диффузора в конфузоре частицы основного потока могут передать частицам пограничного слоя большую кинетическую энергию, сохраняя при этом конфузорное течение. Вследствие этого толщина пограничного слоя в конфузоре значительно тоньше и возможность срыва почти исключается.

В турбокомпрессорах течение газа в проточной части носит в основном диффузорный характер, т.е. существуют условия для образования отрыва пограничного слоя, особенно при больших положительных углах атаки i ₁.

Для оценки характера течения в компрессорной решетке (отрывного или безотрывного) применяют параметры диффузорности и эквивалентного угла раскрытия прямоосного конического диффузора (рис. 7.14):

.

Угол раскрытия эквивалентного конического диффузора через площади :

. (7.21)

Переходя к размерам, характеризующим решетку, получим для осевого компрессора

Данные параметры используются для определения коэффициентов потерь в решетке при обработке экспериментальных продувок плоских решеток стационарным газовым потоком.

 

Рис. 7.14. Геометрические параметры эквивалентного конического диффузора

 

Оптимальное значение угла раскрытия эквивалентного конического диффузора установлено экспериментально и составляет (рис. 7.15). Увеличение ν; выше предельно допустимых значений приводит к срыву потока в решетке и к резкому ухудшению эффективности ее работы (рис. 7.16). Анализ формул показывает, что ν_экв и n возрастают с увеличением угла разворота потока и с уменьшением угла установки β_В.

Круговые решетки рабочих колес и лопаточных диффузоров центробежных компрессоров также характеризуются диффузорностью и эквивалентным углом раскрытия. Отрыв пограничного слоя в каналах РК связан помимо всего прочего еще и с тем, что на частицы газа в пограничном слое действуют кориолисовы силы.

Рис. 7.15. Экспериментальные зависимости n = f (ν;) для плоских решеток	Рис. 7.16. Срыв потока в решетке осевого компрессора при положительных углах атаки i 1 = β л 1-β1

 

 

Экспериментально подтвержден следующий механизм развития и отрыва пограничного слоя. Частицы газа, имеющие низкую кинетическую энергию, перетекают по торцевым поверхностям дисков с передней стороны лопатки на заднюю (рис. 7.17). В результате чего пограничный слой на задней стороне утолщается и становится предрасположенным к отрыву из-за действия встречного градиента давления и кориолисовых сил. К передней стороне лопатки подтекает «свежий» газ из ядра потока, обладающий большой кинетической энергией [12].

Рис. 7.17. Срыв потока в круговой решетке центробежного компрессора (Р_з < Р_п)

 

 

В круговых решетках центробежных компрессоров «классического» отрыва со сворачиванием потока в вихри и встречным движением в пограничном слое как правило не наблюдается (из-за центробежных сил), а имеет место низкоэнергетическая области следа на задней стороне, которая существенно искажает структуру потока на выходе из РК по сравнению с идеальным течением
(рис. 7.18).

Рис. 7.18. Структура потока идеального и вязкого газа на выходе из РК

 

При увеличении относительной ширины РК b ₂/ D ₂ интенсивность поперечных токов уменьшается. При малых b ₂/ D ₂ пограничные слои могут занимать большую часть ширины канала, поэтому возрастает роль дисков в передаче энергии от колеса к газу. В случае очень малых b ₂/ D ₂ даже при отсутствии лопаток, можно получить достаточно большие коэффициенты теоретического напора ψ_Т = 0,3-0,5 при малых φ;₂ = 0,01-0,02.

РК, составленные из нескольких близко расположенных дисков, используются в дымососах-подогревателях и «насосах трения» [12].

Рассмотрим особенности течения вязкого газа в безлопаточном диффузоре. Экспериментально полученная картина [12] приведена на рис. 7.19.

Качественный характер потока в БЛД зависит от угла α;₃ и отношения b ₃/ b ₂. Перестройка полей C_r в широких каналах при малых углах α;₃ (<15º) связана с начальной неоднородностью потока по ширине сечения на входе в диффузор. Вблизи той стенки, у которой угол α меньше, пограничный слой развивается быстрее и раньше наступает отрыв и обратное течение.

Рис. 7.19. Схема расположения зон обратных радиальных течений в БЛД

С увеличением диаметра из-за градиента давления (P ₃ >P ₂), пограничный слой начинает развиваться у противоположной стенки. В итоге происходит переброска потока от стенки к стенке.

В БЛД отрицательное значение может принимать только расходная составляющая скорости. Окружная составляющая всегда остается положительной (в сторону вращения колеса) и в области отрыва она даже больше, чем в ядре потока ().

Потери, связанные с отрывом пограничного слоя сложно оценить аналитически, т.к. отрыв пограничного слоя имеет в турбокомпрессорах пространственный и нестационарный характер. Их определяют либо экспериментально, вычитая из общих потерь потери на трение в пограничном слое, рассчитанные как показано выше, либо приближенно оценивают по формулам для прямоосных конических диффузоров (по аналогии с гидравликой). В гидравлике потери в диффузорных каналах определяют по формуле

, (7.22)

где ζ _расш – коэффициент потерь, зависящий от ν; и n.

Между конфигурацией межлопаточных каналов турбокомпрессоров и прямоосным коническим диффузором очень мало общего. Поэтому значение коэффициента ζ определяют экспериментально и обобщают в виде зависимостей

.

Так как формула (7.22) не учитывает влияние вращения на развитие пограничного слоя, результаты полученные по ней, носят приближенный характер.