Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 59
Текст из файла (страница 59)
шд)гаь Отношение адиабатического перепада тепла, срабатываемого на рабочих лопатках, к полному перепаду тепла на ступени называется степенью реактивности: ~злз о= —. зал Разделение на осевые, радиальные и тангенциальные турбины производится по направлению газового потока (рис. 7. 24). Осевыми турбинами называются турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении параллельно (или почти параллельно) оси турбины. Р а д и а л ь н ы м и называются турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении перпендикулярно оси турбины. В зависимости от направления потока газа различают центрострем и т ел ь н ы е (направление потока от периферии к центру) и ц е н т р об е ж н ы е (направление потока от центра к периферии) турбины.
Из-за больших поверхностей трения и дополнительных поворотов газа при малых и/сд КПД радиальной турбины меньше, чем КЛД осевой турбины. Однако в малоразмерных турбинах разница в КПД центростремительной радиальной турбины и осевой турбины невелика. Радиальную турбину можно регулировать поворотом лопаток соплового аппарата.
В некоторых случаях применение радиальной турбины упрощает компоновку ТНА. (7. 47) 287 Величина располагаемой работы, т. е. максимально возможной работы турбины без потерь, определяется адиабатическим перепадом тепла Ь„д (теп лопе реп адом) от параметров газа в заторможенном состоянии на входе в турбину (р„'„; Т„*„) до давления на выходе р„„(рис. 7. 23): ~ са ~ со с, а! б> Рис.
7. 24. Типы турбины: а-осевая; б †радиальн центростремительная; в-тантепциальная. ! — сопловмв аппарат: 2 †лопат В целом турбины со ступенями скорости проще и в сравнительно небольших ЖРД целесообразны. В двигателях больших тяг с открытой схемой, когда эффективность ТНА играет существенную роль, возможно применение турбин со ступенями давления.
288 Тангенци аль ными называются турбины, в которых газ движется по окружности в плоскости, перпендикулярной к оси турбины, и за счет трения увлекает за собой лопатки турбины. По числу ступеней различают одноступенчатые и м н о гос т у п е н ч а т ы е турбины (рис. 7. 25) . В многоступенчатой турбине газ после выхода из лопаток колеса попадает в спрямляющий (сопловой) аппарат и снова поступает на колесо во второй ряд рабочих лопаток. Число ступеней может быть два, три и более.
ПрнРах менение многоступенчатых турбин позволяет использовать больший теплоперепад, хотя установка ступеней связана с дополнительными гидравлическими потерями, 'а вследствие чего максимальное значение КПД многоступенчатой турбины меньше, Рг чем КПД одноступенчатой (см. рнс. 7.30). Однако, как мы увидим ниже, прн открытой схеме турбины ТНА работают при малых значениях и/с,п, поэтому в ТНА в ряде случаев для увеличения рвмх КПД целесообразно применять двухступенчатые турбины. Применение более двух ступеней дает незначительный выигрыш в работе. Различают многоступенчатые турби- Г ны со ступенями скорости н со ступ ен ям и давления. В первых пе епад давлений срабатывается в соп. рение газа в ступени и Р ловом аппарате первой ступени, и полученная кинетическая энергия постепенно используется на других ступенях.
В турбине со ступенями давления в каждой ступени срабатывает определенный перепад давления. Турбины со ступенями скорости имеют меньший КПД, однако, при ступенях скорости, во-первых, требуется меньшее количество ступеней для использования заданного теплоперепада (при одинаковой окружной скорости); во-вторых, при срабатывании всего теплоперепада в сопловом аппарате первой ступени более существенно снижается температура газа, поступающего в последующие ступени; в-третьнх, осевые силы меньше. Разновидностью многоступенчатой турбины со ступенями скорости является турбина с поворотом подвода газа (рис. 7.
25, в). В этих туропнах газ из рабочих лопаток колеса поступает в поворотный канал, где изменяется направление потока, и повторно подводится к рабочему ко- б) а) Рнс. 7. 28. Многоступенчатые турбины. а — со ступенями скорости; б — со ступенями даеаеиия; е — с пояоротом газа лесу. Такая турбина имеет большие потери, но зато рабочее колесо имеет один венец. Известно применение турбины с поворотом потока в ЖРД «Вальтер» [25). По степени использования проходного сечения соплового аппарата различают парциальные и непарциальные турбины. ~Ф П а р ц и а л ь н ы м и называются турбины, в кото- рых сопловые каналы имеются только на части окружности. Отношение рабочей дуги соплового аппарата ар ко всей окружности называется с те. пенью парциальности: ар Парциальность вызывает дополнительные потери.
Однако при малых расходах газа (что часто имеет место в УКРД) применение парциальности позволяет получить турбину достаточного диаметра (для обеспечения и) с лопатками приемлемой длины. В конечном счете, в ряде случаев улучшение КПД турбины за счет увеличения и и за счет увеличения длины лопаток получается ббльшим, чем падение его вследствие потерь на парциальность.
Кроме того, при заданной температуре газа температура лопаток парциальной турбины ниже. Рис. 7. 28. ДвухПО ЧИСЛУ ВаЛОВ раЗЛИЧаЮт ОдНОВаЛЬНЫЕ И дВуХ- вадьная турбина вальные турбины. Схема д в у х в а л ь н о й турбины показана на рис. 7. 25. Применение двухвальной турбины в ТНА ЖРД может оказаться целесообразным из-за значительной разницы в максимально допустимых числах оборотов насосов горючего и окислителя 289 гв 998 (см. табл. 7. 1). Однако применение двухвальиых турбин в ТНА может привести к усложнению запуска и регулирования двигателя и усложняет конструкцию ТНА в целом. Основные параметры турбин ТНА Расчет турбин ТНА принципиально не отличается от расчета авиационных газовых турбин и подробно изложен в работах (!32), [134), (136).
Рассмотрим специфику оценки и выбора основных параметров работы турбины применительно к ТНА. Потребная мощность турбины И, определяется в общем случае как сумма потребных мощностей насосов окислителя гты„горючего Аг„,, и вспомогательных агрегатов !уно, приводимых турбиной: АУ, = АУ„, + АУ„„+ АУ„,. При отсутствии вспомогательных агрегатов АУ, = А7„, + АУ, „. В соответствии с выражением (7.10) аРо0о + аРгФ.
(7. 50) 75точно 757гчнг (7. 48) Если принять др,=ап„=зр и считать 71„,=71„= 1„, то Аг = —, арь 75ттчн ' (7. 51) где 6=6,+6„; у, — плотность топлива, !+о Ут ! тг Уо Потребная мощность турбины на тонну тяги И,7Р приближенно может быть определена по формуле (7. 51): ггт аРо аР 75ттчыРух6 75тгчнРух На рис. 7.27 приведена приближенная расчетная зависимость 11,!Р= =!(Ру). Мы видим, что для ориентировочных оценок можно принимать (?. 52) (?. 54) Мощность турбины (располагаемая) 75 ™ (7. 55) где 6, — расход рабочего тела через турбину; у)т — КПЛ турбины, Степень р а с ш и реп ия газа в турбине Рн» и т Рных (7. 56) 290 В соответствии с равенством (7.
55) увеличение степени расширения, повышая Л,н, приводит к увеличению располагаемой мощности турбины. Однако при больших значениях ят прирост ьод и Ут с дальнейшим увеличением ят незначителен. Поэтому при открытой схеме степень расширения берется в пределах 15 — 40. В ТНА установок, работающих по замкнутой схеме, степень расширения газа на турбине определяется путем увязки располагаемой мощности турбины и потребной мощности насосов (см.
гл. ИП). Обычно для замкнутых схем яе находится в пределах 1,3 — 1,8. В зависимости от величины я, турбина может работать как дозвуковая, т. е. с дозвуковыми скоростями в проточной части, и как сверхзвуковая, т. е. со сверхзвуковыми скоростями в проточной части. Сверхзвуковые турбины характерны для ТНА открытых схем. В ТНА замкнутых схем обычно турбины дозвуковые, хотя при значениях давлений в камере, близких к максимальным (см. $ 8. 1), возможно увеличение отношении давлений Р„„"/Р,м, до свеРхзвУкового. Давление на выходе из тур бины (противодавление) р„,„определяет при заданной степени расширения 77, давление на входе в турбину и его уменьшение при- »7,7р ВОдИт К СНИЖЕНИЮ МаССЫ ТНА.
Та- Р лс. ким образом, желательно всегда "с»си гс иметь возможно меньшее р„„. В турбинах ТНА замкнутых схем Рема опРеделЯетсЯ как сУмма давления в камере Р» и величины потерь давления иа участке от турбины до камеры сгорания АРрк 7,50 75 (7. 57) Л75 7,075 Р, . Ра+ ЬРг 25 0 0 В турбинах ТНА открытых схем Рис. 7.27. Зависимость 77,7Р=1(р»1 раз больше 291 10* желательно иметь возможно мень- 25 50 75 700 шее давление Рв а.
Однако пРини 7»5 »00 007 00 '20 " 7 мать Р,„, равным давлению окружающей среды Р„не всегда целесоОбраэио, тах Ках ПрИ ИЗМЕНЕНИИ ! — О,+керосин; 7 — Нмононероснн; высоты полета будет изменяться давление на выходе, а следовательно, и режим работы ТНА. Для обеспечения постоянства режима работы ТНА в конце выхлопной трубы иногда устанавливается насадок со сверхзвуковым соплом Лаваля. При этом величину р„„устанавливают из следующих соображений. Если обеспечить просто сверхкритиче- 7»-'-1 Х» — ' ский перепад давлений, то Р„,„должно быть в11 — ) чем Ри, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
