Важное влияние на общий уровень потерь в решетке турбомашины оказывают явления, происходящие вблизи втулочной и периферийной концевых поверхностей. Течение в этих областях носит сложный характер. Исследования структуры потока вблизи концевых поверхностей показывают, что наряду с основным течением в данных областях существует несколько паразитных течений, называемых вторичными. Все они наблюдаются в концевых пограничных слоях.
Поскольку движение в межлопаточном канале происходит по криволинейным траекториям, то давление на корытце лопатки больше, чем на спинке. Когда поток протекает через межлопаточный канал он уравновешен. Центробежные силы уравновешиваются градиентом давления от большого давления корытца к малому на спинке.
Но поток имеет неоднородное поле скоростей и давлений по высоте канала, особенно у концевых поверхностей, где наблюдаются большие градиенты параметров потока. Поскольку поток вблизи концевых поверхностей имеет более низкую скорость и кинетическую энергию, чем в ядре, возникает неуравновешенность между силами давления и инерционными силами.
Таким образом, поток у концевых поверхностей прижимается к спинке. Попадая на спинку, вторичные токи вызывают набухание пограничного слоя в месте сопряжения концевой поверхности и спинки и затем его отрыв. Такие вихревые структуры образуются вблизи втулки и периферии. По этой причине данное явление получило название парного вихря. Оба вихря вращаются в противоположные стороны и направления их вращения соответствуют направлению перетекания.
Второе вторичное течение получило название подковообразного вихря и связано с взаимодействием пограничного слоя на концевой поверхности с телом лопатки. Его природу можно объяснить следующим образом. Тело лопатки начинает влиять на концевой пограничный слой примерно на расстоянии одного шага от входной кромки, что приводит к торможению потока и утолщению пограничного слоя по мере приближения к входной кромке. В то же время должно произойти разделение концевого пограничного слоя между спинкой и корытцем. Поскольку давление во втулочном пограничном слое меньше давления торможения на входной кромке, то разделение пограничного слоя происходит на некотором расстоянии от входной кромки лопатки с образованием подковообразного вихря (рисунки 2.51...2.53). Размер подковообразного вихря непосредственно перед кромкой лопатки РК составляет порядка 0,5…...1мм в диаметре. Эпицентр вихря располагается примерно на расстоянии 1мм от входной кромки.
Рисунок 2.50 – Вторичное течение в турбинном канале
Дальнейшее поведение подковообразного вихря определяется градиентом давления, действующим между корытцем и спинкой в межлопаточных каналах. Поток, ушедший после разделения на спинку лопатки, прижимается перепадом давления к поверхности лопатки. Оставшаяся часть потока под действием градиента давления от спинки к корытцу начинает смещаться к корытцу следующей лопатки, пересекая межлопаточный канал. Подобное разделение потока показано на рисунках 2.52 и 2.53.
Рисунок 2.51 - Вертикальная проекция подковообразного вихря перед входной кромкой лопатки
Рисунок 2.52 – Образование и дальнейшее поведение подковообразного вихря
Рисунок 2.53 – Подковообразный вихрь
Достигнув спинки лопатки после пересечения межлопаточного канала, вторичные течения начинают взаимодействовать с пограничным слоем на спинке лопатки, а также с потоком, текущим в межлопаточном канале. Взаимодействие с основным потоком приводит к образованию вихрей, которые расположены в межлопаточном канале вблизи спинки лопатки. К тому же вторичные потоки начинают подниматься по спинке лопатки, искривляя также линии тока потока, текущего в пограничном слое спинки. Развитие межлопаточного вихря и течение на спинке лопатки показано на рисунке 2.54. Следует заметить, что подобные потоки развиваются по длине межлопаточного канала, охватывая всёе большую и большую по высоте часть спинки.
Рисунок 2.54 – Увеличение размеров вторичного вихря на спинке
Вторичные течения вызывают значительные потери энергии. Их величина зависит в первую очередь от относительной высоты канала , а также от угла поворота потока в решетке (он определяет величину градиента давления между спинкой и корытцем). С уменьшением и увеличением угла поворота потока вторичные потери возрастают.
Кроме того наличие вторичных течений изменяет угол выхода из решетки, что отрицательно сказывается на величине получаемой работы.
Рисунок 2.55 – Структура вторичных течений в межлопаточном канале