Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Тогда при одинаковых степенях реактивности окружные КПД ступеней будут одинаковы и, следовательно, будут одинаковы скружные работы (1.„; =- Еаад,т)и). Окружная работа турбины, определяемая как сумма работ ступеней, 1.„Г=- гу.,ь а коэффициент работы й„= а1,„; (4.112) Ра и ти ти Рис. 4.50, Схема трехступенчатой реактивной турбины 270 3 Рис. 4.бь 7 — а-диаграмма процесса в трехступенчатой реактивной турбине. Условные обозначения см. на рис.
4.4 В общем случае при отношении и/с,лп равном отношению скоростей олноступенчатой турбины, коэффициент окружной работы для многоступенчатой турбины в г раз больше, чем для одноступенчатой турбины с той же степенью реактивности. Важно, что он будет соответствовать меньшему, чем у одноступенчатой турбины, отношению скоростей, подсчитанному по всей адиабатной работе многоступенчатой турбины (сид — — у'2/,„д): и/с„т = и/(с„)''з). (4.113) При болыпем числе ступеней многоступенчатая реактивная турбина позволяет получить большую окружную работу, в частности в области малых отношений и/г,д, что необходимо для турбин ЖРД нли при применении рабочего тела с большим содержанием водорода (большая газовая постоянная и, следовательно, большая адиабатная скорость).
Увеличение числа ступеней усложняет конструкцию и увеличивает массу турбины, что нежелательно. Помимо этого, многоступенчатой реактивной турбине соответствует большое осевое усилие, действующее на ротор. 4.6.2. Активная турбина 4.6.ЗЛ. Турбина со стуиеиями давления Зттачительно больший интерес для использования в ЖРД представляют многоступенчатые активные турбины. Их можно подразделить на два вида: активные турбины со ступенями давления и активные турбины со степенями скорости. Рассмотрим схему устройства активной турбины со ступенями давления и протекание процесса в ней.
На рис. 4.52 приведена схема активной турбины с двумя ступенями давления. Такую турбину образуют последовательным сочетанием двух активных ступеней. В сопловом аппарате каждой ступени происходит понижение давления и увеличение скорости. Изображение процесса в т — з-диаграмме для такой турбины дано на рис. 4.53. Отмечены отрезки, соответствующие адиабатным и окружным работам всей турбины и отдельных ее ступеней. Окружной КПД такой турбины определяется соотношением Чи = /л//.овл = (йн т + /а тт)/йоал (4.114) КПД такой турбины может быть выше, чем КПД одноступенчатой активной турбины, так как скорости в проточной части двухступенчатой турбины будут меньше. Использование выходной скорости первой ступени также повышает КПД турбины.
Гидравлические потери в активной турбине со ступенями давления будут больше, чем в реактивной турбине, рассчитанной на ту же степень понижения давления, так как в реактивной турбине скорости течения будут меньше. В активных ступенях давления рабочее колесо не испытывает большого осевого усилия. Конструкция двухступенча- 271 Рис. 4.52. Схема активной турбины с двумя ступенямн давления лтг па ИЭЭЭ) а Рис. 4.53. 7 — з-диаграмма процесса в активной турбиие с двумя ступенями давления. Условные обозначения см. на рис. 4.4 той турбины сложнее, чем конструкция одноступенчатой активной турбины. Кроме того, двухступенчатая турбина имеет большую 'массу. Недостатком таких турбин является возможность утечки между ступенями. При равенстве работ каждой ступени, имея в виду, что коэффипиент окружной работы для активной ступени Т„в~, = 2 (при с,ч — -- О), получим, что коэффициент окружной работы активной турбины со ступенями давления на режиме осевого выхода из каждой ступени равен удвоенному числу ступеней: (4.
115) Коэффициент окружной работы для активных турбин со ступенями давления растет пропорционально числу ступеней в первой степени и в два раза превышает коэффициент окружной работы для турбины с реактивными ступенями (на режиме с„=- О), см. формулы (4.112) и (4.115). В области малых отношений и7с,д активная турбина со ступенями давления позволяет получить ббльшие значения коэффициента работы, чем многоступенчатая реактивная турбина с тем же числом ступеней. Из многоступенчатых турбин наибольшее распространение в ЖРД получили активные турбины со ступенями скорости. Как показано ниже, эти турбины позволяют получить при том же числе ступеней большее значение коэффициентов работы в области низких значений и!свт, чзм многоступенчатые реактивные турбины и активные турбины со ступенями давления.
Низкие значения и'са„как уже отмечено, соответствуют автономным турбинам ЖРД. 272 4.6.2.2. Турбина со ступенями скорости 1. = (! — ф ) 1е,д. (4.116) Рис. 4.54. Схема активной турбины с двумя ступенями скорости А — сопловой аппарат; Б — Ьй ряд ра. Еояпл лопваок; и — нвподвя вннй направ. ля~впаяй аппарат; à — 2.й ряд рабочая л пыток Рис. 4.55. а — в-диаграмма процесса в актиниой турбине с двумя ступеиими скорости 273 Процесс в 1 — а-диаграмме. Треугольники скоростей. Окружная работа, Схема активной турбины с двумя ступенями скорости приведена на рис, 4.54.
Расширение газа и падение давления происходит только в сопловом аппарате, После рабочих лопаток первого ряда стоят неподвижные лопатки (направляющий аппарат), поворачивающие поток газа так, чтобы он обтекал с благоприятными углами атаки следующий ряд рабочих лопаток. Оба ряда рабочих решеток для облегчения конструкции турбины обычно бывают укреплены на ободе одного диска. Все решетки, кроме решетки соплового аппарата, активного действия.
В идеальном случае ам —— = Гпяг И Юти = Ш2П Во второй ступени используется кинетическая энергия газа, выходящего из первой ступени. Гидравлические потери в такой турбине велики, так как скорости течения газа с по решеткам большие. Потери с выходной скоростью снижаются по сравнению с потерями в одноступенчатой турбине. На рис. 4.55 изображен в 4 — з-диаграмме процесс в активной турбине с двумя ступенями скорости. Действительный процесс показан линией, соединяющей точки О, 1, 2, 3, 4. Линия Π— 1 соответствует процессу в сопловом аппарате; 1. — потери энергии в сопловом аппарате. Как и для 6 одноступенчатой турбины И~ Процесс в межлопаточных каналах первого ряда рабочих лопаток изображен линией 1 — 2.
Повышение энтальпии ~', — (, = Ач,, где Е,~~ =- (1 — ф1) ы~е,„~ ~'2 (4. 117) — потери энергии при течении в первом ряду рабочих лопаток. Линии 2 — 3 соответствует процесс в направляющем аппарате, т. е. процесс течения газа при постоянном давлении с повышением энтропии вследствие трения. В канале постоянного сечения осуществляется поворот потока. Введем понятие скоростного коэффициента направляющего аппарата ф„,: фн а = Сз/Сзаж (4.118) Получим, что потери энергии при течении в межлопаточных каналах направляющего аппарата ЕФ = (1 — Ф„,) сз,д,'2. (4.
119) Процесс течения по межлопаточным каналам второго ряда рабочих лопаток при постоянном давлении изображается в 1 — з-диаграмме линией 3 — 4. Соответствующая потеря энергии во втором ряду рабочих лопаток обозначена Ечм. Еч и = (1 — фп) ай~ад ~~~2. (4. 120) Окружная работа всей турбины Е находится как разность начальной энтальпии 1,„ и энтальпии в точке 5, соответствующей заторможенному состоянию газа, после рабочих лопаток второй ступени: ~и (оа Ь Разность энтальпий ~', — г, соответствует выходной скоростной энергии, которая определяет потери с выходной скоростью всей турбины.
Работа первой ступени определяется по разности начальной энтальпии и энтальпии заторможенного газа на выходе из первой ступени. Выходная энергия с'.~!2, являясь потерей для первой ступени, представляет собой располагаемую энергию для второй ступени. Работа второй ступени находится как разность энтальпий в точке 2, и в точке 5.
По существу, установка второй ступени является способом использования энергии выходной скорости первой ступени. Если скорость на выходе из второй ступени достаточно велика, то можно установить еще ряд направляющих и ряд рабочих лопаток. Такая турбина будет трехступенчатой, с тремя ступенями скорости. В ЖРД трехступенчатые турбины обычно не применяются из-за заметного усложнения конструкции и увеличения массы турбины, хотя коэффициент окружной работы Х„такой турбины, как будет показано в дальнейшем, велик. Построим треугольники ск >росгей для активной турбины с двумя ступенями скорости (рис. 4.56). Угол наклона струи а„вытекающей 274 Рис.
4.56. Треугольники скоростен для активной турбины с двумя ступенями скорости: — — — — линия, соответствующая повороту потока в направляющем аппарате (4. 122) (4. 123) где гояад г = шт т Скорость на выходе из первой ступени найдется векторным вычитанием окружной скорости и из шаг. Направляющий аппарат поворачивает поток. Углы лопаток направляющего аппарата определяются углом ам,который'представляет собой угол наклона вектора с,т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
