Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 60
Текст из файла (страница 60)
е. при е = !. Это означает, что такая турбина может быть применена только для больших расходов. Для турбин с большим отношением давлений болыпой расход обусловливает большую мощность, следовательно, такие турбины могут быть применены в ТНА двигателей с большими тягами. Реактивно-активная бнротатнвиая турбина может выполняться с любым числом ступеней, в частности, с любым числом ступеней скорости.
4.7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБИНЫ 4.7.П Виды характеристик Зависимости работы, КПД, мощности турбины илн производных от ннх величин от какого-либо независимого параметра, определяющего режим турбины, называют энергетическими характеристиками турбины. Эти характеристики используются прн решении задач регулирования ЖРД.
В качестве независимого переменного выбирают параметр, резко меняющий режим турбины (напрнмер, и/с, ), нлн параметр, на который воздействует регулирующий орган (напрнмер, начальное давление, частота вращения н т. и.). Рассмотренная ранее зависимость т), = / (и/сад) (см. рнс.
4.46) для активных одноступенчатых турбин является характеристикой серии турбин, имеющих разные расчетные значения н/с,, так как прн каждом значении и/с, мы полагаем, что углы потока равны углам лопатки н что углы лопаток меняются в соответствии с режимом, см. формулы (4.54) — (4.66). Для данной турбины остаются постоянвымн углы ()ьа н рт н изменяется угол атаки, что увеличивает потери в решетке. Поэтому характеристики т), = / (и/га ) для данной турбины н для серии турбин не совпадают, хотя имеют общую точку (рнс. 4.68).
Зависимость КПД от и/гад для данной турбины идет ниже, чем зависимость КПД для серии турбин, у которых каждая точка по и!гак является расчета4 Рис. 4.68. Зависимость эффективного КПД от и~сед для серии турбин (1) и для данной турбины (2): (нд ) — ресчетныа режим для деииеятурад р бины ной. На рис, 4.69 в качестве примера приведены треугольники скоростей для двух активных ступеней с различными расчетными значениями и)гад (разные и, с„,= =-Ыеш). Рабочие лопатки ступейей имеют разные углы, определяемые и/см мл углами потока р.
Для заданной турбины с выбранными для расчетного значения и/сад углами лопаток другой режим по и)с,д будет уже нсрасчетным и коэффициент потерь увеличится, а следовательно, и КПД будет меньше. В равд, 2,11.3 показано, что для геометрически подобных турбин при автомодельиых числах Ре 1Оа суп(ествует связь между критериями, характеризующими эффективность турбины, и режимными критериями: 1. пт М т) =((и/с )ч~, я). (4.133) 0 ( грал)гг Для турбин ТНА механический КПД принимается равным единице (см. разд.
4.5.3), поэтому значения внутреннего КПД и внутренней мощности, для которых была получена зависимость (4.133), будут соответственно равны значениям эффективных КПД и мощности. Из зависимости (4.133) для одной и той же турбины найдем связь расхода, мощности и КПД с режимом работы. Выражения для критериев можно упростить. Так как критерии можно умножать (делить) друг на друга, получая новые критерии, то, умножив т и Ут на и(сад и ), = сад/аир и имеяДвдвиду, что лутт=)чглй )чгг =)Зглл Д~ь~~~ ! г( Я7 17 и- ггр гуул1 г глд Рис 4.69.
Треугольники скоростей н профили лопаток для двух активных ступеней с различными расчетными значениями и!сад и одинаковыми адиабатными работами: — и 11: 285 роо = роо7РТоо„получим вместо т и М, следующие критерии: — ~ |Гкт„. —, н„, ~/кт„ оо ор Для одного и того же газа (а = сопИ, !! = сопИ) и одной и той же турбины (В,р — — сопИ) можно записать вместо критериев комплексы, составленные из непосредственно определяемых в опытах физических параметров: т - тМТоо!доо и У;-У,Р'ТооАРоо '). Критерий Х, можно рассчитать по формуле сод = — '" = ~l — (1 — 1!6'о и!"). (4.134) Из формулы (4.134) следует, что при й =- сопз1 вместо Х, можно ад воспользоваться степенью понижения давления в турбине 6. Критерий кинематического подобия (4.135) Исключая постоянные й, 1т' и О,р, получим (4.136) род )'у (! 1~8(о — П!о) При 6 = сопИ и!с,д — в7р~Тоо.
Комплекс го!р' Т„носит название приведенной угловой скорости. После преобразования зависимость (4.133) для данной турбины, работающей на определенном газе (я =- сонэ!, )с =- сопз1), примет вид т Р Тоо(роо' 6!о)' Тоо!(Роооо)' т!о — — !(со/~''Тоо, 6). (4.137) Зависимости приведенных расхода т у' Тоо!роо и мощности 'р7, р' Тоо7(рооа ! от приведенной угловой скорости при ряде постоянных значений 6 называются соответственно расходной и мощностной характеристиками турбины. Зависимость КПД от приведенной угловой скорости при различных 6 характеризует экономичность турбины.
На рис. 4.70, а представлены энергетические характеристики активной турбины. Степень понижения давления 6 = 11 расчетная. Приведенный расход т !' Тоо/роо ие зависит от степени понижения давления 6 и приведенной угловой скорости, так как при сверхзвуковом перепаде давлений расход и определяется только давлением роо и температурой Тмр При этом роо и Тоо не влияют и на комплекс т !~Тор!роо [см. формулу (4.41)). КПД турбины Ч, возрастает с увеличением оо/!У 'Г„(экспериментальные значения го7~'Т„соответствуют области значений и!сод, 286 Пг П,г Уг Р,42 пб П,4 пт у'гээ с кг м* 7('г " 1П, Рсо 11' с п,оп агг 7 йгг/гс. с П ма с* Кпй .1 лМ 7„ Рэг кг мэ 11 Рг 77 с а,ва Пав П,га г,г 2'0 1,0 (,г (,г 07 аб ао 0,4 04 ОБ 04 ПБ РБ 07 00 и/сел 0,1 02 05 П4 и/с в) е) Рис. 4.70.
Энергетические характеристики турбин: о — энергетические харантеристики высоноперепадной активной одноступеачатой турбины (е =- 0,3; модельнь|й гаа — днхлорметан); б — энергетические характеристики низноперепадной радиально-осевой турбины (модельный газ в воздух); е — аависимость КйД ннзкоперснадной радиально. осевой турбины от и)се (модельный газ — воздух): Х вЂ” 8 = 21 Π— б = 1,6; Сз — б .— — (А; г — зависимость КПД от и)га длн иизкоперегадиой осевой турбины с малой степенью реактивности (модельный гаэ — дихлорметаи); Π— 8=1,8; ° — б=),Ч 2В7 О)п а (77.' гас Рэс "" Пгл з)г се и Пг 0,4 10 14 1п гг 20 .70 74 — с (Ф Ос а) Пг п вп 00 го вп 00 )пп па О) ги/)ст„, с Пг меньших оптимального), так как при этом уменьшаются потери с выходной скоростью.
Максимальный уровень КПД сселвстствует расчетному значению бр. При отличии 6 от расчетного значение КПД, как правило, падает, так как возрастают потери в сопловом аппарате (из-за того, что течение становится нерасчетным) и увеличиваются потери из-за отличия угла атаки от расчетного. С увеличением а/р' Тее уменьшается приведенная мощность й/т з Тее/(ренат ) в результате уменьшения коэффициента адиабатной работы Е„и = Ееьл/ие, несмотря на увеличение КПД. Влияние 6 на приведенную мощность соответствует влиянию 6 на КПД, так как т и 7'ее/рее = сопи(. Энергетические характеристики ннзкоперепадной турбины (рис. 4.70, б) аналогичны характеристикам высокоперепадной турбины, за исключением зависимости приведенного расхода ту Т„/р„, от 6 и и/р Тее.
Так как низкоперепадные турбины имеют докритический перепад давлений, то с увеличением 6 приведенный расход возрастает, см. формулу (4.38). С увеличением ее/р' Тее (увеличением и/сад) приведенный расход несколько уменьшается, так как уменьшается пропускная способность колеса. На зависимости КПД низкоперепадпых турбин от и!гни (рис.
4.70, в и 4.70, г) степень понижения давления 6 (в областй дозвуковых скоростей) влияет незначительно. 4.7.2. Способы получения характеристик 4.7.2.1. Натурные и молельные испытании Натурные испытания. Для получения опытных характеристик турбины необходимо провести ее испытания на стенде.
Стенд должен быть оборудован тормозом, поглощающим мощность турбины„ приборами для определения ее параметров и регулировочными устройствами, позволяющими менять режим работы. Подобные стенды для турбин значительных мощностей достаточно громоздки и сложны в создании и эксплуатации. В практике для получения необходимых опытных да|шых о работе турбины проводят натуральные испытания ТНА с подачей на турбину натурного газа.
При этом характеристики насосов должны быть известны. Этот способ хорош тем, что условия работы турбины при испытании максимально приближены к условиям нормальной эксплуатации. Но возможности получения характеристик в широком диапазоне изменения режимов ограничены пределами регулирования, ресурсом ТНА и сложностью экспериментов. В связи с возрастанием потребных мощностей, частот вращения и агрессивности компонентов все большее значение приобретают модельные испытания турбин ТНА. Модельные испытания. Модельные испытания можно подразделить на два вида: 288 а) испытания моделей турбин (уменьшенных или увеличенных); б) модельные испытания натурных турбин (испытания на модельном газе).
При испытании турбин ТНА ЖРД больших тяг прибегают к созданию уменьшенных моделей. Но когда размеры турбин невелики, применение уменьшенных моделей не приводит к упрощению испытаний. При продувках элементов турбины часто приходится использовать увеличенные модели. Для испытания турбин ЖРД широко применяют модельные испытания натурных полноразмерных турбин..
При модельных испытаниях турбин при выборе режимов необходимо выдержать критерии подобия и результаты опытов обработать в критериальной форме. Если различие в значениях показателя адиабаты модельного и натурного газов не превышает 1О о4, то можно пользоваться критериальной зависимостью (см. разд. 4.7.1) т, А'„о)о = ~(и/с,и, Хк~ ). (4.138) Модельные режимы выбирают так, чтобы условия испытаний были облегчены.
Например, добиваются снижения мощности, частоты вращения, температур, упрощения схемы стенда, удешевления испытаний и т. п. Широкое распространение получили модельные испытания, при которых в качестве модельного газа используется воздух с невысокой температурой. Выясним, какие при этом должны быть параметры воздуха и режимы испытаний.
Условия моделирования (подобия) и!с, =Ыеш и Х, =Ыеш 'ол можно заменить условиями и(аир — — Х, и~с,и = Ыеш; Х, =!деш. (4.139) Тогда получим для модельных и натурных режимов — (4.140) а„р и аир ' 2 + 1 ймТоом )' 2 й+ 1 ство Здесь индексом «и» обозначены параметры процессов при моделировании. ь Если у натурного и модельного газов комплексы — Я близки й+1 друг к другу, то можно заключить, что окружные скорости и, следовательно, ы при моделировании на воздухе должны быть снижены, так как Т„„« Т„. Снижение угловой скорости благоприятно сказывается на надежности стенда, упрощаются измерения, снижается мощность и т.
п. Можно добиться снижения расхода через турбину путем снижения начального давления. Существует предел снижения начального давления из-за снижения числа Ке вследствие уменьшения т, Начальное давление можно снижать до тех пор, пока число Ке будет 1,'в!0 Овсииииков а. В. и др. 2в9 находиться в зоне автомодельности, т. е. пока Ее ) 1О". Начальную температуру приходится выбирать такой, чтобы прп расширении воздуха в турбине не выделялась влага, содержащаяся в воздухе и нарушающая подобие при моделировании.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
