Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Там же приведены треугольники скоростей и примерные профили лопаток преднасоса, осевого насоса и турбины. В преднасосе давление и абсолютная скорость возрастают, а относительная скорость падает, так как колесо преднасоса всегда должно быть реактивным. В осевом насосе, который имеет большую угловую скорость, скорость и давление в проточной части растут в большей степени, а относительная скорость падает, так как осевое колесо целесообразно выполнять реактивным, чтобы поднять статическое давление. В турбине, которая приводит прсднасос, абсолютная скорость и давление падают, а относительная скорость несколько растет, так как следует применить реактивную турбину, у которой меньше изогнут профиль и выше КПД.
Параметры турбины находят из условия равенства мощности и угловой скорости турбины и преднасоса. На рис. 3.72 показана схема турбопреднасоса с приводом шнекового преднасоса от радиальной гидротурбины, установленной за центробежным колесом, На рис. 3.73 приведены возможные профили лопаток и треугольники скоростей для приводящей преднасос радиальной турбины, Устанавливаемой за центробежным колесом. 4. РАСЧЕТ ТУРБИН 4.1. ОСОБЕННОСТИ ТУРБИН 4.1.1. Предкамерные турбины В ЖРД применяются предкамерные турбины (ЖРД с дожигания).
Потребная мощность турбины ТИА ЖРД определяется необходимой мощностью для привода насосов: А1, = ~'„А«««. (4.1) Чем больше тяга двигателя, тем больше потребная мощность турбины. Выполненные двигатели имеют турбины мощностью от десятков до сотен тысяч киловатт. Мощность, развиваемая турбиной (эффективная мощность), определяется соотношением Атт = птт«-о ааЧт = тпт«т (4. 2) Адиабатная работа » / 1 ~ааа = » 1 К7»о 1 — 1» п~» ) > (4.3) в где б -= 1тае,'рт — степень понижения давления в турбине*. В ЖРД с дожиганием газ из турбины поступает 'в камеру. Поэтому для пред- камерных турбин заданными параметрами, определяемыми параметрами двигателя, являются давление на выходе из турбины ра и расход газа через турбину при выбранной температуре газа перед турбиной Тее.
Из условия равенства мощностей насосов и турбины определяется давление на входе р„(см. равд. 5). Давление на выходе из турбины р, должно быть больше давления в камере на величину, определяемую сопротивлением газового тракта между турбиной и камерой. Температурой газа перед турбиной Т„задаются, исходя из условий надежности турбины и выбранных материалов. Заданную температуру обеспечивают соответствующим режимом газогенератора, т.
е. определенным соотношением компонентов, Следовательно, задавая температуру, устанавливают физические константы генераторного газа (Я, я). Из формул (4.1), ..., (4.3) следует, что чем большую температуру перед турбиной можно допустить, тем меньше может быть давление перед ней. Определяющим соображением при выборе температуры перед турбиной является надежность конструк" Индексом «00» обозначены параметры торможения во входном сечении турбины. 218 тивных элементов, работающих при высокой температуре.
Как правило, в случае неохлаждаемых турбин допускаемая температура для восстгнзвительного газа Т„„= 1000 1200 К, а для окислительного газа Т„„~ 800 К, так как окислительный газ отрицательно влияет иа металлические детали, Расход газа через предкамерную турбину при известной температуре перед турбиной является заданным. Расход компонента, пропускаемого полностью через турбину, определяется тягой и массовым соотношением компонентов в камере, а расход добавляемого компонента определяется массовым соотношением компонентов в газогенераторе, т.
е. в конечном счете температурой перед турбиной (см. разд, 5). Обычно в предкамерных турбинах степень понижения давления составляет 1,2 ... 1,8 (давление перед турбиной может достигать дссятксв мегапаскалей). Следовательно, предкамерным турбинам ~КРД соответствуют низкие степени понижения давления (дозвуковые скорости течения газа) и высокис расходы газа. Параметры этих турбин весьма существенно отличаются от параметров автономных турбин (см.
равд. 4.1.2). Ввиду большого расхода газа через турбину удельная работа турбины (джоуль на килограмм) невелика ~ т = АГтФт = 1 оадЧт. (4,4) Поэтому мал и коэффициент работы турбины 1,, = Е,/и, (сн значительно меньше, чем у автономных турби)н. КПД турбины и насосов не влияют на удельный импульс тяги ЖРД с дожнганием, так как энтальпия газа, выходящего из турбины, и знтальпия компонентов топлива, выходящих из насосов, используются в камере; но, как уже указывалось (см. равд. 1.4.1), КПД играет существенную роль при получении минимальной массы ТНА и связанных с ним трубопроводов.
Из формул (4.2) и (4.3) видно, что чем выше КПД, тем меньше начальное давление, а температуоу газа перел турбиной можно выбрать ниже и тем самым сделать двигатель меньшей массы. При малых КПД насосов н турбины требуются большие температуры и давления перед турбиной. Последнее в свою очередь, требует больших давлений за насосами. Существует (как будет показано в равд. 5) предельное давлсние перед турбиной, при превышении которого мощность турбины будет меньше необходимой для привода насосов. Поэтому прсдкамериые турбины, как и насссы, должны иметь высокий КПД при минимальной массе. достаточной надежности и простоте конструкции.
Для повышения КПД предкгмерные турбины можно выполнять со степенью реактивности 0,2 ... 0,3. Однако для уменьшения осевой силы задают более низкую степень реактивности или турб~ ны выполняют активными. 4.1.2. Автономные турбины При заданной мощности М, параметры автономной турбины должны быть выбраны такими, чтобы расход рабочего тела через ~урбину был минимальным (см, разд, 1.4.2), Требование миннмаль- 2!.9 ного расхода рабочего тела (при заданной мощности) означает необходимость получения максимальной удельной работы турбины, выражаемой в джоулях на килограмм, или, иначе говоря, мощности, приходящейся на расход газа, равный 1 кг(с, и выражаемой в ваттах на килограмм в секунду, см.
формулу (4.4). При т, — ппп; й, — гпах, Отсюда вытекает основная особенность автономных турбин ЖРД: в связи с необходимостью работы этих турбин с малым расходом рабочего тела важно получить не максимальный КПД турбины, а высокую удельную работу Е„которая обеспечивается большой адиабатной работой Е„а (КПД турбины при увеличении Е„„снижается). Однако при заданной адиабатной работе й„„повышение КПД турбины увеличивает удельную работу турбины Е, (см. формулу (4,4) ) и уменьшает потребный расход рабочего тела т, (см, формулу (4.2) ). Требование максимальной работы (.„получаемой от 1 кг массы рабочего тела, означает, что при заданной окружной скорости, которая определяется диаметром турбины и ее угловой скоростью, обычно равной угловой скорости насосов, коэффициент работы должен быть максимальным.
Диаметр турбины выбирается с учетом компоновки ТНА и обеспечения минимальных габаритных размеров или лимитируется прочностью ротора турбины. Поскольку большая адиабатная работа Е„п позволяет получить большую удельную работу Б„то параметры турбины нужно выбирать такими, чтобы адиабатная работа была возможно большей (см. формулу (4.4) ). Из формулы (4.3) следует, что при выбранном рабочем теле (заданных Я, й) больших значений адиабатной работы можно достигнуть выбором высоких температур рабочего тела и больших 6.
В автономных турбинах чаще применяется восстановительный газ, т. е, газогенератор работает на избытке горючего (см. разд. 1.4.2), так как произведение КТ„дпя такого газа больше, чем соответствующая величина для окислительного газа. Применение высоких температур ограничивается работоспособностью конструкции. В ЖРД применяют неохлаждаемые турбины — более простые и легкие, Температура перед неохлаждаемой турбиной ограничивается 1000 ... 1200 К. В автономных турбинах ЯРД удельная работа й, составляет 400 ... 800 кДж1кг.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
