Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Потери при течении в рабочей решетке оцениваются аналогично потерям в сопловой решетке. Необратимая потеря энергии при течеиии в рабочей решетке находится из выражения 1.~ = трз',д/2 — гро12, (4.19) где шоад = 1 21оод+ гоз1 (4.20) и шз — соответственно адиабатиая и действительная скорости иа выходе из рабочей решетки. Скоростной коэффицпеит рабочей решетки найдем как отношение действительной скорости истечения из решетки к адиабатиой скорости: зад о'н1 ~онд' (4.21) 'где Х, = снз1ано,„; а, = 41 2 + )сТо„,.
(4.22) й Выразив 1.,р через зр, получим 1 р = (1 — тР ) шо од12. (4.23) 8 Ооояннняов в. в. и др. 228 Рис. 4,3. ~ — а-диаграмма пропесса в идеальной реактивной ступени турбины Рис. 4.4. г — а-диаграмма рабочего процесса в реактивной ступени турбины Отметим: что коэффициенты гр и тр учитывают потери' в лопаточных решетках. Изобразим в 1 — з-диаграмме действительный процесс расширения газа в реактивной ступени турбины (рис. 4.4). Линия 0 — 1 соответствует действительному процессу расширения в сопловой решетке, линия 1 — 2 — процессу в рабочей решетке.
Величину Е [см. формулы (4.6) и (4,15)1 можно определить по формуле 1е = (т (т ад = ((ео (гад) (1ее (т). (4,24) Коэффициент полного давления сопловой решетки о, найдем (см. формулу (2.175) 1 по отношению полного давления р„(изобара р,„проходит через точку 1,) к полному давлению р„(см. рис. 4.4). При отсутствии внешнего подвода теплоты прирост энтропии газа при течении по сопловой решетке определяется коэффициентом полного давления. Для изобарного процесса д 1' 1п 1' 1пот (4,25) Реа Следует иметь в виду, что для сверхзвукового течения степени уширения сопл (для получения одного и того же давления в конце расширения) при учете потерь и без их учета должны быть различными.
Подвод теплоты приводит к торможению сверхзвукового потока, и для достижения заданного давления на выходе степень уширения сопла при процессе с трением должна быть больше, чем при идеальном процессе. При идеальном адиабатном процессе в данном сопле можно было бы получить меиыпее давление р,, Адиабатный теплоперепад рабочей решетки в реальной турбине может быть несколько больше, чем в идеальной (1.е ад > 1.пад) 226 Рис.
4.о. а — а-диаграмма рабочего процес- са в активной ступени турбины (см. рис. 4.4), так как процесс в рабочей решетке при подогреве газа вследствие потерь соплового, аппарата протекает в области больших температур, а удельная теплоемкость ср, определяющая энтальпию (/ =- срТ), с увеличением температуры возрастает.
Практически разница между Ееаа и /.т, невелика (для наглядности а а изотермы проведены так, что они совпадают с линиями постоянной эитальпии). В соответствии с формулой (4.19) 1,ч найдем как разность длин отрезков 1о — 2;д и 2ом — 2. Как следует из рис. 4.4, 1.ч — — (а — /а,'д, Коэффициент полного давления рабочей решетки ае найдем по отношению давления в точке 2, к давлению в точке 1„„. Так как Та, = Та „, то прирост энтропии при течении газа по решетке будет равен за — з, = — /7! п ' = — /т' 1п оа. (4. 26) Ра ~, Для активной ступени турбины (/.аад -— — О) потеря энергии при течении в рабочей решетке определяется по формуле 1.,р — — щ/2 — и/а/2, (4.27) вытекающей из общей формулы (4.19).
Вводя коэффициент ф, который в данном случае определяется формулой тр = гпт/ыч = Х,/Х „ (4.28) получим формулу (4.27) в виде = (1 — $') гп1/2. (4.29) Рабочий процесс течения в осевой активной ступени турбины изображен на 1 — з-диаграмме (рис. 4.5). Процесс в рабочей решетке происходит при постоянном давлении — участок 1 — 2 на изобаре р, — р,. Потеря энергии при течении по рабочей решетке находится в соответствии с формулой (4,27) как разность энтальпий: 1.,р= а, — (т. (4.30) Коэффициент потери полного давления определяется отношением давлений в точках 2, и 1, . 4.2.2. Одноступеичатая радиальная турбина На рис. 4.6 показана схема радиальной центростремительной турбины. В ЖРД радиальные турбины применяются в качестве предкамерных.
При этом рабочее колесо выполняется радиально- ва 227 Раа0ррелла лр ММт Рис. 4.6. Схема радиальной центростремительной турбины: у — подаод; Ы вЂ” соплоаоа аппарат; ПЫ вЂ” рабопее полесо; ту — отаод осевым, так что, по существу, центростремительные турбины в ЖРЯ являются радиально-осевыми.
В дальнейшем, однако, мы буден называть их радиальными турбинами. Чисто радиальная турбин' (см. рис. 2.22) применяется в ЖРД редко, так как она плохо компо. иуется с камерой сгорания. По габаритным размерам и массе радиальная турбина уступает осевой. Кроме того, для колеса радиальной турбины характернс большее осевое усилие, что усложняет обеспечение разгрузки под. шипников ТНА. По условиям прочности колеса конструировани< радиальной турбины также представляет определенные трудности, но в изготовлении колесо радиальной турбины проще, чем осевос Радиальная турбина лучше компонуется с камерой, при сравнитель но малых размерах (ЖРД малых и средних тяг) может иметь боль ший КПД за счет меньших вторичных потерь в решетках,, скоростных выходных н расходных потерь.
Радиальные турбины более чувствительны к воздействию посто роннпх металлических частиц, поступающих с компонентами топ. лива. Частицы сепарируются в поле центробежных сил при вход~ в колесо. Взаимодействуя в окислительном газе с элементами тур бины, оии могут привести к ее возгоранию. На рис. 4.6 изображена конструктивная схема одноступенчатот радиальной турбины, обеспечивающей выход газа, близкий к осе вому. Подводящее устройство может представлять собой кольцево) подвод, чаще подвод выполняется как спиральный с постепенным уменьшением проходного сечения.
Зто дает возможность выровнятт ила :корости и обеспечить более равномерный подвод газа к соплам. "опловой аппарат выполнен в виде круговой решетки лопаток. В принхипе, роль соплового аппарата может выполнять спиральный подзод, в этом случае круговая сопловая решетка отсутствует и конструкция турбины упрощается, однако жесткость ее корпуса умень- дается. Отвод обычно выполняют в виде прямоосного дпффузора. Проследим изменение параметров газа по длине проточной части радиальной центростремительной турбины (рис, 4 7), На оси абсцисс >тмечены характерные сечения (вх, О, 1, 2, вых) проточной части гурбпны. В подводящем сборнике (участок вх — О), который обычно выполняется конфузорным, несколько падает давление, соответственно падает температура и повышается скорость. Такое изменение характерно для осредненных параметров, так как распределение скорости по сечению подводящего сборника существенно неравномерно.
Сечениями О и ! выделен сопловой аппарат, в котором происходит расширение газа и ускорение газового потока. Давление и температура газа падают, а скорость возрастает. Давление торможения в идеальном случае (штрихпунктир) остается постоянным, в реальном же случае оно падает из-за потерь. Температура торможения остается постоянной. На рис. 4.8 приведены треугольники скоростей на входе в рабочее колесо и на выходе из него. Они расположены в разных плоскостях. Треугольник скоростей на входе в колесо лежит в плоскости двращения, а треугольник скоростей на выходе пз колеса — в пломскости, касательной к цилиндрической поверхности с осью, совпа;дающей с осью вращения. Совмещенные треугольники скоростей вы>несены отдельно на рис. 4.8.
Выходные кромки сопловых лопаток наклонены под небольшим „углом к окружности выхода, Угол наклона обычно составляет 15 ... 20". Скорость определяется отношением давлений на входе в сопловой аппарат и на выходе из него, а также начальной температурой. Окружная скорость при заданной угловой скорости го определяется наружным диаметром колеса.
Максимальная окружная ско- ел й 1 х емл Рис. 4 7. Графики изменения пзрзметРов газа по длине проточной части рздизльной центростремительной тур- бины Рис. 4.8. Треугольники скоростей нв входе в рабочее колесо и нз выходе нз него для радиальной центростремитель- ной турбины рость на входе ограничивается прочностью колеса (обычно и, я: < 400 м!с), Применяют полузакрытые (см.
рис. 4.6) и закрытые колеса. Исходя из соображений прочности наиболее целесообразно применять радиальные на выходе лопатки. Поэтому стараются обес- печить такое соотношение скоростей и, и с,, чтобы направление ш, было близко к радиальному (см. рис. 4.6). Если такого соотношения скоростей не удается достичь, то приходится применять лопатки, имеющие входной участок, с направлением средней линии, отличным от радиального (см. рис. 2.22). В рабочем колесе, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
