Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 60
Текст из файла (страница 60)
е, примерно в 1,7 — 1,9 раза. Однако, если учесть, что насадок с соплом Лаваля может работать на режиме перерасширения, т. е. с давлениями на выходе из насадка, равными (0,3 — 0,4)ри, давление Р,„„ можно Уменьшить и бРать пРиблизительно Равным 1,3Ри. Таким образом, использование перерасширения в выхлопноМ насадке позволяет на 40 — 50о7о уменьшить давление Р„,нс, необходимое для обеспечения постоянного режима работы ТНА. В некоторых случаях для получения постоянного и достаточно малого значения Р„,„выхлопные газы из ТНА направляют в поток у среза сопла. Температуру газа, поступающего на турбину Т,*„ выбирают исходя из прочностных возможностей элементов турбины.
В зависимости от режима и времени работы, а также материала лопаток 7,"„ берут в пределах 750 †12' К. В некоторых случаях при кратковременной работе Т„', увеличивают. Число оборотов турбины а чаще всего определяется максимально допустимым по условиям кавитации числом оборотов насоса (см. 9 7.1). При этом в одновальном ТНА (см. рис. 7. 40) число оборотов турбины лимитируется числом оборотов насоса окислителя. При редукторной схеме ТНА выбор числа оборотов турбины определяется условиями экономической работы турбины при достаточно малых габаритах. КПД и выбор и!с, в турбииах ТНА Потери работы в турбине складываются из следующих видов потерь: а) гидравлические потери в сопловом аппарате Е,; б) гидравлические потери при течении газа в рабочем колесе Е.„„; в) с выходной скоростью Е„,„; г) иа трение диска и вентиляционные потери Е,; д) за счет утечек газа через уплотнения и радиальные зазоры рабочих и сопловых лопаток (последнее — в многоступенчатых турбинах) Е,; е) механические потери Е„.
Величина гидравлических потерь Е, и Е характеризует степень совершенства проточной части турбины и оценивается ад н а б ати ч е. ским (лопаточным) КПД Г.ал (Ес ~ ~) аа Е (7. 58) Сущность потерь с выходной скоростью Е„„в том, что газ по выходе из рабочих лопаток турбины обладает определенной конечной скоростью см а следовательно, и кинетической энергией, т. е.
с2 2 Е "~Ы~ (7. 59) Вычитая из располагаемой работы Е,„сумму гидравлических потерь Е,+Е„и потери с выходной скоростью, определим работу на лопатках, или окружную работу турбины: (и Ев". (Ес+ Ел Еви~)' (7. 60) Отношение окружной работы к располагаемой называется о к р у жным КПД: Еи Ч = —. Р (7. 61) Потери на трение диска (дисковые потери) вызываются трением боковых поверхностей диска. Вентиляционные потери возникают толька в парпнальных турбинах.
При малой степени парциальности (0,2 — 0,3) величина потерь может составить 20 — 30%. Эти потери характерны для парциальных турбин ТНА установок, работающих по открытой схеме. При отсутствии парциальности (з=1) вентиляционные потери отсутствуют. Необходимо иметь в виду, что величина потерь за счет парциальности существенно зависит от конструктивного выполнения соплового аппарата.
Использование соплового аппарата, собранного в одном секторе (рис. 7.28,а), более эффективно, чем симметричное расположение по окружности колеса нескольких секторов (рис. 7.28,6). Потери на утечки зависят в первую очередь от величины радиального зазора б между лопатками и корпусом, а в многоступенчатых туроинах — еще и от зазора между сопловыми лопатками и диском. При длинных лопатках относительная величина зазора бД (где 1 — высота лопатки) невелика и потери также невелики.
При коротких лопатках, что характерно для турбин ТНА, бД сравнительно велико и потери становятся ощутимыми. Вычитая из окружной работы вентиляционные и дисковые потери и потери на утечки, получим внутреннюю работу турбины: Е,=/.„— (/,,+Е„,). (7. 62) Отношение внутренней работы к располагаемой называется в н у тренним КПД: Ч;=-— Еа ~ил (?.
63) Вычитая из внутренней работы механические потери на трение в под шипниках и уплотнениях, получим эффективную работу турбины Е,: /.,=Еа — Е„. (7. 64) + Отношение эффективной работы к внутренней назьиается м ех а ни чески м КПД: О а) Ч„Ь (7. 65) Отношение эффективной работы к располагаемой называется э ф ф е к т и в н ы м КПД или просто та н марциальной тгр- КПД турбины Ч,; бине: л 1. Т у а — рациональное б-оо (7. 66 рациональное Очевидно, что Ч =Ч, ° Чн, (7.
67) Величина Ч обычно равна 0,95 — 0,99. Величина Ч, для турбин ТНА открытой схемы находится в пределах 0,3 — 0,7 (см. табл. 7. 2). Для турбин ТНА установок, работающих по замкнутой схеме, вследствие увели- чениЯ и/ган УвеличиваетсЯ и т1,. Зависимость КПД от и/с д и выбор окружной скоростии. Из всех потерь основными являются потери с выходной скоростью.
В соответствии с равенством (7. 59) эти потери тем меньше, чем меньше абсолютная выходная скорость сь В свою очередь скорость га зависит от окружной скорости и, срабатываемого теплоперепада, т. е. скорости слн (или в частном случае для активной турбины скорости с,), и степени реактивности о. Исследование изменения окружного КПД турбины Чц показывает, что Ч„в первую очередь зависит от отношения и/с,н (или и/с1 для активной турбины). Типичный вид зависимости Ч =/(и/с,н) показан на рис. 7.29.
При и/сан=О, т. е. при неподвижной турбине, очевидно, также Равен нУлю. По меРе УвеличениЯ и/с, величина Чц Растет н пРи каком-то значении и/га значение Чц достигает максимума. При дальнейшем увеличении и/ган уменьшается Ч„главным образом из-за возрастания потерь с ростом выходной скорости. На рис. 7.29 показаны коэффициенты гидравлических потерь в сопловом аппарате Е. и на рабочих лопатках зн. Величина з, определяется только работой соплового аппарата и от и/с,н не зависит.
Гидравлические потери на лопатках увеличиваются с уменьшением и/с,л. Можно показать [1341, что относительные потери на вентиляцию и трение ~, и потери на утечки ~т, пропорциональны (и/сад) ", где п)1. На рис. 7.9 пунктиром нанесены относительные потери ($,+ Зт,). Вычитая из а1 относительные потери, найдем величину внутреннего КПД: Ч;=- и.— 6.+!„). (7. 68) Для многоступенчатой турбины значение (и/с,и),рь соответствующее максимальному значению КПД, тем больше сдвигается влево, чем больше число ступеней (рис.
7. 30, а). Хотя максимальное значение КПД прн этом уменьшается, при малых значениях (и/с, ),ре величина КПД многоступенчатой турбины выше. Поэтому при и малых и/с,д часто рационально применение двухступенчатых турбин. При увеличении степени реактивности турбины 9 значения (и/са ),рь соответствующие максимальному КПД, увеличиваются (рис. 7. 30, б); кроме того, характеристики =/(и/с,п) при этом протекают более полого, что иногда имеет большое значение.
В ТНА установок с замкнутой схемой, имеющих малый перепад давлений и, как следствие, малые (чв ч>'т~ ' - ~ значения с,, т. е. сравнительно большие зна- чения (и/сап), часто рационально применение 0 0,7 дл 0,6 и/сад Реактивных тУРбин. (и/с ) ! Величина окружной скорости и зависит от числа оборотов турбины и диаметра колеса. Рис. 7.29, Баланс энергий вЧисло оборотов турбины часто ограничено дотурбпие в аавиеииоетн от "/с.. пускаемым числом оборотов насосов. Повыше- ние >ке и за счет увеличения диаметра колеса приводит к увеличению габаритов и массы ТНА.
Кроме того, при малых расходах газа увеличение диаметра повлечет за собой уменьшение степени парциальности, т. е. увеличение потерь. Учитывая указанные сообра>кения и требования прочности, величину окружных скоростей в турбинах ТНА берут в пределах 250 — 350 м/сек. В турбинах ТНА установок с открытой схемой вследствие большогс перепада давлений на турбине ят срабатываемый теплоперепад (т. е. т)и 0,8 0 о) 0,г оу 04и/с,, 0 с,г 00 00 00пдар и) б) Рис.
7. 30. Влияние числа ступеней (а) и степени реактивности (б) на КПД значения с, ) весьма значителен. Так, для одноступенчатой активной турбины величина сл=9>с,л доходит до 1000 — !400 м/сек. Вследствие этого значения и/с,п, при которых работает турбина, невелики и находятся в пределах 0,1 — 0,3 (см. табл.
7.2). В турбинах установок с замкнутой схемой перепады давлений л, невелики и саи значительно меньше. Поэтому для них значения и/са составляют величину порядка 0,4 — 0,6. Типы турбин ТНА Специфика условий работы турбины в ТНА н требования к ТНА, как важнейшему агрегату двигательной установки, определяют типы турбин, которые рационально использовать при различных схемах двигательных установок ЖРД.
294 В ТНА жидкостных ракетных двигателей применяются главным образом осевые активные турбины. Эти турбины конструктивно проще и достаточно надежны в работе. Для ТНА жидкостных ракетных двигателей, работающих по открытой схеме, характерно применение парциаль. иых активных турбин. Дело в том, что при открытой схеме для уменьшения потерь компонентов на привод ТНА стремятся уменьшить расход рабочего тела на турбину (это достигается увеличением перепада давления и,).
Вследствие малых расходов турбину целесообразно выполнять парциальной. Наличие же парциальности обусловливает применение активных турбин, так как в реактивных турбинах вследствие перепада давлений на лопатках колеса возникли бы большие потери из-за перетекания газа в необтекаемые потоком каналы. Кроме того, при малых сс/с,„(что характерно для турбин ТНА открытых схем) снижение степени реактивности приводит к увеличению КПД. В ТНА двигателей открытых схем используют как одно-, так и двух ступенчатые турбины, чаще со ступенями скорости. В ТНА жидкостных ракетных двигателей с замкнутой схемой в основном используются осевые одноступенчатые турбины.
Применение нескольких ступеней при этом нецелесообразно из-за малого срабатываемого теплоперепада. Прн замкнутой схеме вследствие больших значений и/с,н наряду с активными турбинами могут использоваться и турбины с небольшой реактивностью. Из удобства компоновки при замкнутой схеме возможно применение радиальных турбин.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
