Теоретическая часть

Под вторичными течениями понимаются области потока, где наблюдается самопроизвольное отклонение в направлении движения ограниченных масс по сравнению с основным направлением движения потока. Применительно к решеткам аэродинамических профилей вторичные течения приводят, например, к отличиям поворота струек жидкости, сообщаемого решеткой на различном удалении от торцевых стенок решетки. Предпосылкой возникновения вторичного течения является неравномерность распределения полных напоров в исходном потоке, а непосредственная причина порождения вторичного течения связана с тем или иным внешним воздействием, вызывающим в жидкости градиент давления, вектор которого не совпадает с вектором скорости в основном направлении, т. е. в направлении распространения потока.

Криволинейный характер межлопаточного канала порождает в потоке центробежные силы, стремящиеся отбросить частицы газа к вогнутой границе канала. Смещению частиц газа вдоль радиуса кривизны препятствует возникающий в потоке поперечный градиент давления dp/dr > 0. ак как в пределах пограничного слоя на торцевых стенках скорость газа меньше, чем в ядре потока, перепад давлений по поперечнику канала вблизи этих стенок будет меньше, чем в основной части течения, что при условии одинаковости распределения давления вдоль средней линии тока в любом сечении решетки вызовет вторичное движение газа вдоль лопаток: на вогнутой поверхности (корытце) – к торцевым стенкам, на выпуклой поверхности (спинке) – от торцевых стенок. Соответственно на самих торцевых стенках это вторичное течение будет направлено поперек канала в направлении от вогнутой границы канала к выпуклой. На выпуклой границе межлопаточного канала вторичные течения встречаются между собой и образуют два вихря с противоположным направлением вращения. Они называются парными вихрями. Схема возникновения парного вихря показана на рис. 14 а.

Наряду с рассмотренным явлением существенную роль в образовании вторичных течений в решетке при наличии выдвинутой навстречу потоку торцевой стенки играют входные вихри, возникающие вследствие торможения входного пограничного слоя на торцевых стенках при набегании его на передние кромки лопаток. Причиной появления входных вихрей является градиент давления, направленный от торцевой стенки вдоль линии торможения на входной кромке лопатки: на границе пограничного слоя давление торможения близко к полному напору в ядре потока р₀^*, в то время как у торцевой стенки это давление близко к статическому в невозмущенном потоке (рис.14 б). Под действием этого градиента давления на поверхности входной кромки лопатки в пределах пограничного слоя возникает вторичное течение, направленное от внешней границы пограничного слоя к торцевой стенке. По достижении торцевой стенки поток этого вторичного течения в силу непроницаемости поверхности лопатки и стенки поворачивает навстречу основному потоку, столкновение с которым приводит к вытеснению пристеночных слоев газа от торцевой стенки (рис.14.б), в результате чего образовавшийся вторичный поток сворачивается в вихрь, который и называют входным или подковообразным вихрем.

Полную картину вторичных течений в межлопаточном канале решетки при наличии входного пограничного слоя можно описать следующим образом. Входной вихрь, возникший в области торможения пограничного слоя перед входной кромкой лопатки (рис.1.4.б), распадается на две ветви: одна прижимается к входной кромке и далее к спинке лопатки, распространяясь вдоль угловой области, образуемой выпуклой поверхностью лопатки и торцевой стенкой, другая пересекает межлопаточный канал примерно по его диагонали вплоть до соприкосновения со спинкой соседней лопатки (рис.15).

Рис. 14

Такая локализация входного вихря объясняется действием на него перепада давлений, возникающего под влиянием центробежных сил в межлопаточном канале. В данном случае отклоняющаяся ветвь входного вихря будет иметь тенденцию оторваться от торцевой стенки решетки, а ветвь вихря, огибающая выпуклую поверхность лопатки, напротив, - прижаться к этой стенке.

Так как обе ветви входного вихря располагаются в поле вторичных течений, возникающих собственно в межлопаточном канале, входной вихрь активно взаимодействует с парным вихрем, возникающем в межлопаточном канале. Эти массы вторичного течения при повороте в угловой зоне на поверхность лопатки подхватываются расположенной здесь отклоняющейся ветвью входного вихря, направление вращения которого совпадает с направлением вращения зарождающегося парного вихря. В результате в межлопаточном канале образуется объединенный вихрь, который обычно называют канальным вихрем. Именно канальный вихрь определяет в основном вихревую структуру вторичного течения в решетке. Определяющая роль канального вихря обусловлена вовлечением в него основной части неактивных масс жидкости, образующихся на торцевой стенке решетки: отклоняющаяся ветвь входного вихря ‘‘наматывает’’ на себя весь входной пограничный слой, а вливающийся в канальный вихрь продольный (парный) вихрь собирает практически весь пограничный слой, вновь образовавшийся на торцевой стенке вниз по потоку от входного вихря.

Находясь в межлопаточном канале вторичные вихри могут смещаться в ту или иную область течения под влиянием различного рода аэродинамических сил. Наличие вторичных течений отражается на характере распределения потерь по высоте канала. Анализ этого распределения позволяет судить о динамике канального вихря. На рис.16 приведена типичная картина распределения потерь и углов потока за длинной турбинной решеткой активного типа, когда вторичные течения, образующиеся у противоположных торцевых стенок решетки не взаимодействуют друг с другом. Видно, что неравномерность в распределении угла выхода по высоте проточной части решетки наблюдается лишь в ограниченных областях, примыкающих к торцевым стенкам. Эту неравномерность естественным образом можно объяснить влиянием парного вихря: непосредственно у торцевой стенки вихрь (см. рис.15) доворачивает поток к спинке лопатки, т.е. уменьшает угол b₂, а по другую сторону от оси вихря – вызывает движение в противоположную сторону, вследствие чего здесь наблюдается недокрутка потока (увеличение угла b₂). Согласно этим рассуждениям оси компонентов парного вихря располагаются в районе перехода из зоны перекрутки потока в зону недокрутки по сравнению с направлением невозмущенного течения (в ядре потока). Из приведенных данных видно, что, так как ось канального вихря находится примерно по середине расстояния между торцевой стенкой и областью максимальных углов выхода потока за решеткой, область максимальных потерь не совпадает с центом вихря. Таким образом, канальный вихрь при соприкосновении со спинкой лопатки сносит с ее поверхности пограничный слой, образовавшийся при обтекании профиля, что и объясняет наличие минимума потерь в решетке вблизи торцевой стенки. Этот слой смещается вдоль лопатки в направлении от торцевой стенки, что приводит к скапливанию неактивных масс жидкости в пристеночном слое в области внешней границы вихря. На рис.1.7 представлена схема течения на выходе из решетки, где показаны основные характерные зоны, соответствующие изменению параметров потока, по высоте решетки согласно рис.1.7.

Целью данной лабораторной работы является экспериментальное получение эпюры распределения потерь энергии по высоте канала и выявление характерных зон, где проявляется воздействие вторичных течений. В данном случае исследуется длинная решетка (высота рабочей части составляет 70 мм). В этом случае взаимодействие вторичных течений, образующихся на противоположных торцевых стенках решетки не происходит. Эпюра потерь по высоте решетки будет иметь симметричный характер относительно центрального сечения. Поэтому траверсирование выходящего потока проводится до половины сечения решетки.

ПРОВЕДЕНИЕ РАБОТЫ

Работа проводится в следующей последовательности:

1.Измеряется давление воздуха и температура в помещении.

2. Устанавливается высота рабочей части решетки (между отсечными пластинами) 70 мм. При такой высоте рабочей части решетки на данной установке не происходит смыкание вторичных течений.

3. Установить трубу Пито в сечении решетки, находящемся на высоте 2 мм от нижней торцевой стенки.

4. После включения установки произвести следующие замеры:

а) Избыточное полное давление на входе в решетку;

б) С шагом 2,5 мм произвести промер избыточных полных давлений по шагу решетки на выходе решетки.

Замеры производить вдоль длины большей, чем шаг решетки t, с тем, чтобы захватить выходные кромки обеих лопаток, образующих центральный канал. Показания микроманометра записываются в таблицу.

5. После окончания замеров трубку Пито Устанавливают в сечении на высоте 5 мм от нижней торцевой стенки и замер распределения полного давления повторяют.

6. Аналогично проводятся измерения в сечениях 7,5 мм; 10 мм, 12,5 мм; 15 мм; 17,5 мм; 20 мм; 25 мм; 35 мм. (т.е. измеряется половина высоты рабочей части решетки)

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для каждого измеренного сечения определяется коэффициент потерь кинетической энергии по методике, изложенной в лабораторной работе №1. Результаты записываются в таблицу и строится график . Подсчитывается осредненный коэффициент потерь