При течении вязкого газа в межлопаточном канале на поверхности лопатки и на концевых поверхностях образуется пограничный слой. Это тонкий слой газа, непосредственно соприкасающийся с поверхностью обтекаемого тела, в котором проявляется эффект вязкости. Пограничный слой характеризуется большим градиентом скорости: в нем величина скорости потока меняется от нулевого значения на поверхности стенки до 99% величины местной скорости потока (рисунок 2.40). Таким образом, любое течение можно условно разделить на две части: пограничный слой, где влияние вязкости значительно, и ядро потока, где влияния вязкости практически нет.
Существенное влияние вязкости в пограничном слое приводит к тому, что между слоями газа, движущимися в нем, возникают силы трения, которые уменьшают скорость потока. Энергия, затрачиваемая на преодоление сил вязкого трения, называется потерями энергии на трение. Потери трения наблюдаются во всех пограничных слоях, т.е. при обтекании любого предмета. В межлопаточном канале, потери, связанные с трением в пограничном слое, наблюдаются на поверхности лопатки и на концевых (втулочной и периферийной) поверхностях межлопаточного канала.
Рисунок 2.40 – Пограничный слой на лопатке турбомашины
Величина потерь трения зависит от толщины пограничного слоя. Чем он толще, тем больше потери трения. Толщина пограничного слоя в свою очередь зависит от скорости в межлопаточном канале, шероховатости поверхности лопатки, числа Рейнольдса.
Поток, набегающий на входную кромку лопатки, разветвляется на две части: часть движется вдоль спинки, другая вдоль корытца. От этой точки на лопатке образуется ламинарный пограничный слой, струйки газа в котором параллельны обтекаемой поверхности. В некоторой точке ламинарный пограничный слой теряет устойчивость и переходит в турбулентный (рисунок 2.40 и 2.41). Толщина погранслоя при этом резко возрастает, что увеличивает потери трения. Исследование характера течения после перехода ламинарного течения в турбулентное показало: несмотря на то, что течение в погранслое является турбулентным, вблизи стенки, течение сохраняется ламинарным. Эта зона небольшой толщины называется ламинарным подслоем. Ее существование объясняется близостью твердой стенки, которая препятствует переносу частиц газа поперек потока. Турбулентный слой и ламинарный подслой не имеют четко выраженной границы. Их разделяет переходный слой, в котором течение в зависимости от времени бывает то турбулентным, то ламинарным.
Очевидно, что характер турбулентного слоя (ламинарный или турбулентный) существенно влияет на величину потерь трения. Так как в ламинарном слое потери меньше, то лопаточные венцы стремятся проектировать так, чтобы точка перехода ламинарного слоя в турбулентный находилась как можно ниже по потоку.
Рисунок 2.41 – Переход ламинарного течения в турбулентное
Рисунок 2.42 – Структура пограничного слоя
При некоторых условиях пограничный слой может отрываться от поверхности обтекаемого тела, что приводит к увеличению потерь. Отрыв потока возникает на участках профиля со значительной диффузорнотью и большой толщиной пограничного слоя. Поэтому для снижения вероятности появления отрыва погранслоя необходимо проектировать венцы с умеренной диффузорностью и тонкими погранслоями. Утонения погранслоя можно добиться за счет увеличения местной скорости потока.