Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 46
Текст из файла (страница 46)
10.5. КОНСТРУКЦИИ ГАЗОВЫХ ТУРБИН И ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ В качестве привода насосов в ТНА применяются преимущественно газовые турбины, обладающие малыми габаритными размерами и массой прн высоком значении располагаемой удельной мощности. По направлению двнження рабочего тела газовые турбины разделяются на осевые и радналь.
ные; последние прнменяются только центростремительные. Шнрокое прнмененне в ТНА ЖРД без дожигания и с дожпганнем получили осевые трубнны, которые в первом случае высокоперепадные н вы. полняются активными, одно- и двухступенчатыми, во втором случае— обычно низкоперепадные н одноступенчатые. Предкамерные турбины, как осевая, так и радиальная центростремптельная, как правило, реактивные. В сопловом аппарате турбины потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую. Газовый поток поступает на рабочую решетку турбины со скоростью с, н совершает работу, вращая ротор ТНА с угловой скоростью со.
Максимальный КПЙ турбины соответствует соотношенюо ис сова, ( — ) (10.10) с опт 2с 1 где с: — число ступеней турбины; и — окружная скорость на среднем диаметре диска турбины, равная саО, /2; ав — угол между фронтом решет. кн соплового аппарата н направлением вектора скорости; с, — абсолютная скорость газового потока на входе в решетку турбины, (10.11) с,= Рвв 216 де 1э — коэффициент скорости для сопл соплового аппарата,у = 0,9...0,95; показатель адиабаты; А Тес — работоспособность газа.
Обычно турбины ТНА работают в области малых значений параметров я/с,, а следовательно, при высокой нагруженносги ступени, что определяет ее низкий КПД. Скорость ротора ТНА ограничивается условием бесхавитационной работы насосов, и для увеличения окружной скорости на лопатках турбины можно повысить ее диаметр, но иэ соображений прочности и,„ах 4ч 400 м/с, что соответствует угловой скорости ш ротора до 10 000 1/с, особенно если турбина малоразмерная и устанавливается на отдельном валу с насосом горючего.
В активных турбинах ТНА угол а, = 15...20' и с, = 900...1500 м/с. Для повышения КПД целесообразно увеличить ее угловую скорость ш либо применить двухступенчатую турбину. Последнее приводит к усложнению конструкций, увеличению габаритных размеров и массы ТНА. Полезная (располагаемая) мощность турбины складывается из суммы мощностей, потребных для привода всех насосов: основных — шнекоцентробежных (горючего и окислителя), бустерных, а при необходимости и вспомогательных (подача третьего компонента, рабочего тела наддува баков и тл.) .
Для схемы, приведенной на рис. 10.1, в, (10.12) от= В/УН =/тНО+АНГ1+/тНГг. Значение располагаемой (адиабатной) работы турбины (10.13) и мошность (10.14) где гл — расход газа, кг/с; П вЂ” КПД турбины. КПД турбины определяется потерями при течении газа по соплам, при обтекании лопаток диска турбины, потерями энергии с выходной скоростью, а также потерями на трение диска о газ, вентиляционными и механическими на трение в уплотнениях и подшипниках. Потери в соплах и на лопатках турбины зависят от степени совершенства ее проточной части, а потери с выходной скоростью представляют неиспользованную в турбине кинетическую энергию газа, которая соответствует его скорости на выходе из турбины.
Применение двухступенчатой турбины обеспечивает снижение потерь с выходной скоростью и повышение КПД турбины. В уравнении (10.13) рэ/рве — перепад давлений рабочеготела на турбине в виде отношения давлений в газогенераторе рве и на выходе из турбины рз. Величина (реа/рэ) называется степенью понижения давления, которая для ~урбин ЖРД без дожигания составляет 20 ... 50. При этом расход газа 217 относительно мал,.и в соплах СА турбин таких ТНА срабатывается сверх критический перепад давлений газа. Значение рз зависит от схемы двинь геля, способа регулирования перепада давлений на турбине в полете а возможности использования газа после выхода из турбины для полученаа дополнительной тяги от выхлопа.
В автономных турбинах давление р следует выбирать больше максимального давления окружающей среды на 10...30%. Турбина ТНА двигателя с дожиганием имеет рз ) р„и степень пони жения давления составляет 1,2...1,8. При дозвуковых скоростях течения газового потока турбина получается высокорасходной. В этом случм один из компонентов топлива полностью проходит тракт турбины с некого. рой частью расхода другого компонента. Работоспособность газа К Т~е при заданных компонентах топлива опрь деляется его температурой перед сопловым аппаратом. В зависимости ет материала лопаток и диска газовой турбины, их стойкости в среде рабо. чего тела, режимов и ресурса работы двигателя температура принимаетса в пределах 700...800 К для окислительного газа и 1000...1200 К для аое.
становительного газа. Высоколерепадные турбины имеют парциальный подвод газа по пло щади венца соплового аппарата, что связано с увеличенной высотой лона. ток турбины при относительно малых расходах рабочего тела, а низкое значение параметра и /с, обусловливает применение в ТНА активных турбин, одно- или двухступенчатых со ступенями скорости. Активная газовая турбина (рис. 10.17) состоит из ротора, статора, направляющего аппарата, выхлопного коллектора и узла уплотнения. Ротор турбины имеет два диска 11 с лопатками первой ступени 4 и второй ступени 2, соединяемых с дисками сваркой.
Диски между собой и фланпеи вала 10 крепятся винтами 9 и штифтами 12. Штифты запрессованы в отвар стия фланца вала и дисков турбины и служат для передачи крутящего момента. Статор турбины является теплонапряженным узлом и выполняется сваркой. Статор состоит из соплового аппарата 5, приваренного к коллек. тору 6, стенки статора 7 в виде тонкостенной диафрагмы, корпуса уплот. пения, узлов крепления к соседнему насосу, ребер жесткости и выхлоп. ного коллектора 1. К сопловому аппарату 5 приварен фланец для крепла. ния направляющего аппарата 3, состоящего нз сегментного кольца и прива.
ренных к нему лопаток 4, которые по внутреннему диаметру имеют бандаж. Все лопатки турбины, в том числе и направляющего аппарата, изго тавливаются из жаропрочной стали. Такие элементы корпуса турбины, как стенка статора 7 и выхлопной коллектор 1, обычно изготавливаются штамповкой из тонкого листового материала. Лля повышения их жесткости и обеспечения возможности и~ менять линейные размеры под воздействием высокой температуры беэ разрушения нм придают спещеальную форму. Например, на плоской стеюсе статора 7 выполняются "зиги", а выхлопной коллектор 1 делают эллинги. 218 рве.
10.17. Коиструкцмя двухступенчатой осевоя активной турбины: 1 — выхлопной коллектор; 2 — лопатки второй ступени; 3 — иаправллющиа аппарат; 4 -лопатки первой ступени; 5 — сопловоя аппарат; 6 — коллектор; 7 — стенка стаюра; 8 — кольцо уплотнения; 9 — винт; 10 — вал; 11 — диски турбины; 12 — ппифт Ию.11Ь18. К ру В р овос в В турбины: 1 — газовод; 2 — корпус; 3 — лопатки рабочей решетки; 4 — бандаж; 5 — сопловая решетка; б — диск турбины; 7 — вал; 8 — гайка ческой формы. Сопловой аппарат с коллектором подвода являются тепло- напряженными узлами и их выполняют из жаропрочных нержавеющих сталей.
Выбор материала соплового аппарата зависит от параметров и свойств газа (восстановительный или окислительный), а также его температуры. При вращении ротора в диске турбины возникают высокие напряжении, в основном от действия центробежных сил. Особенно велики центробежные сипы на периферии утолщенного обода у диска двухступенчатой турбины. Прочность одинарного диска двухступенчатой турбины часто недостаточна и поэтому применяется конструкция двухдисковой турбины.
Конструктивно в корпусе 2 реактивной осевой турбины (рис. 10.18) крепится сопловая решетка 5. Газовый поток после лопаток 3 диска 6 направляется в газовод 1 и далее на дожигание в камеру двигателя. Гребешки лабиринтного уплотнения на бандаже 4 рабочего колеса уменьшают перетекание газа по радиальному зазору, что повышает КПД турбины. Реактивная центростремительная турбина (рис. 10.19) состоит нз корпуса, выхлопного патрубка, рабочего колеса и узла уплотнения. Стальной корпус 2 турбины выполняется, как правило, литьем заодно с коллектором подвода газа высокого давления и сопловым аппаратом.
На патРУбке корпуса имеется переходник для крепления ГГ. В патрубок вваривается конус-решетка или другое устройство, выравнивающее поток газа 2!9 Рнс. 10.19. Конструкцня реактнанаб нентростремнтельной турбнлы: 1 — аыхлопной патрубок; 2 — корпу с турбины; 3 — корпус уплотнения 4 — кольцо уплотннтельное; 5 гайка; б — аал; 7 — нмпеллер; 8 перегородка; 9 — рабочее колею1 10 — кольцо; 11 — шайба; 12 — гайка перед солловым аппаратом. Стальной выхлопной латрубок 1 стыкуется с корпусом турбины после окончательной сборки ТНА, С другой стороны латрубок 1 уг гт и р в у б приваривается через переходник к газоводу камеры сгорания, Рабочее колесо 9 турбины закрытого типа изготавливают методом точного литья ло выллавляемым моделям с последующей механической обработкой посадочных мест.
Крутящий момент от колеса 9 к валу 6 передается через звольвентные шпицы. Установка колеса на валу осуществляется по двум цилиндрическим поверхностям, одну из которых обра. зует запрессованное в колесо кольцо 10. Гайка 12 затягивается момент. ным ключом, стягивая весь собираемый пакет ротора, и фиксирует коле. со 9 от осевого перемещения относительно вала 6. Со стороны выхлопного латрубка 1 расположен уллотннтельный узел, состоящий из корпуса 3 и закрепленного гайкой 5 кольца 4, который после окончательной сборка крепится в корпусе 2 с помощью сварки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
