Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 7
Текст из файла (страница 7)
2.5 изображена схема осевой двухступенчатой лопаточной машины; на рис. 2.6 — схема двухступенчатой лопаточной машины, у которой первая ступень осевая, а вторая — радиальная. Большое число ступеней (которое может измеряться десятками) имеют осевые компрессоры и паровые турбины стационарных установок. В системах питания ЖРД число ступеней лопаточных машин обычно не превышает трех, Это связано с высокими угловыми скоростями лопаточных машин ЖРД и с требованием ограничения их массы, Оговорим, что для подачи в камеру сгорания ЖРД под высоким давлением жидкого водорода, имеющего малую плотность, требуется большой напор. Число ступеней насоса при этом может достигать восьми.
2.2. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ Рассмотрим коротко основные этапы развития лопаточных машин. Теоретические основы расчета гидравлических лопаточных машин были заложены Даниилом Бернулли и Леонардом Эйлером. Большую роль сыграл труд Д. Бернулли, вышедший в 1733 г., <Гидравлика, или записка о силах и движении жидкостей».
В 1750 г. венгерским ученым Сегнером была изобретена реактивная гидравлическая турбина — так называемое сегнерово колесо. Л. Эйлер в 1754 г. выпустил труд «Более полная теория машин, 31 Рнс. 2.6. Схема двухступенчатой ком- бинированной аопаточной машины; Ь а — непраеляющне аппараты; 2, 4 — ра. бочке калееа приводимых в движение дей. станем воды», где дал теорию сегнерова-колеса и общие положения теории лопаточных гидравлических машин. Там же Эйлером была высказана идея о применении турбины, состоящей из направляющего аппарата и рабочего колеса.
Х1Х век характеризуется бурным развитием и распространением лопаточных машин. Лопаточные насосы, вентиляторы, гидравлические и паровые турбины получили особенно широкое распространение в конце Х1Х века в связи с развитием быстроходных электродвигателей и электрических генераторов. Развитие газовых турбин было задержано отсутствием жаропрочных материалов и высокоэффективных компрессоров. Большой вклад в развитие газовых турбин сделали русские ученые и инженеры.
В 1892 г. П. Д. Кузьминский создал первую в мире газовую турбину непрерывного действия. Большое значение для развития ' паровых турбин имели труды шведского инженера Густава Лаваля и английского инженера Чарльза Парсонса. Развитие авиации обусловило создание винтов — лопаточных машин-движителей. Велика заслуга Н. Е. Жуковского в деле создания лопаточных машин и, в частности, винтов. Созданная им в 1890— 1900 гг. теория подъемной силы крыла стала основой для расчета не только крыльев самолетов, но и лопастей турбин, винтов и насосов. В СССР производство паровых турбин, центробежных насосов, гидротурбин было начато еще в 1921 г. по плану ГОЭЛРО. В настоящее время во всех отраслях техники применяются лопаточные машины. Важную роль лопаточные машины играют в авиационной технике.
Газотурбинный двигатель — двигатель, имеющий в качестве обязательных составных частей турбину и компрессор, — является основным типом современных авиационных двигателей. Создание ЖРД потребовало применения центробежных и осевых насосов для подачи топлива и турбин для привода насосов. На насосную систему подачи компонентов ориентировались в своих теоретических трудах К. Э. Циолковский и Ю.
В. Кондратюк. Еще в 1933 г. в СССР в ГДЛ (газодинамической лаборатории) под руководством В. П. Глушко был создан ТНА для ЖРД, состо- Зл ящий из газовой турбины и двух центробежных насосов, т. е. ТНА на основе лопаточных машин. С тех пор насосы и турбины ЖРД прошли большой путь развития и в настоящее время достигли высокой степени совершенства.
Расчет и конструирование современной лопаточной машины требуют большого комплекса знаний. В целом ряде научных и конструкторских коллективов успепшо разрабатываются вопросы теории и практики лопаточных машин. 2.3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА Рассмотрим, какими же особенностями и преимуществами перед другими типами машин обладают лопаточные машины и что обусловило их чрезвычайно широкое применение.
Перечислим основные, наиболее общие, свойства лопаточных машин: 1. Непрерывность действия. Лопаточные машины — машины непрерывного действия, они пропускают в единицу времени большое количество рабочего тела и поэтому обладают хорошими удельными показателями — относительной массой, удельным объемом и т. п. 2. Высокие скорости рабочего органа.
Рабочие колеса лопаточных машин могут иметь большие окружные скорости. Чем больше будет окружная скорость, тем больше будет работа, приходящаяся на единицу массы рабочего тела, как это следует из уравнения Эйлера (см. равд. 2.6.1). Предел увеличению окружных скоростей ставит прочность материала рабочего колеса, так как при больших скоростях на рабочее колесо действуют большие инерционные усилия. В настоящее время максимальные окружные скорости колес центробежных компрессоров приближаются к 600 м!с, а окружные скорости колес турбин, работающих в более тяжелых температурных условиях, к 450 м!с. Прн таких окружных скоростях рабочие колеса малоразмерных турбин и компрессоров имеют угловые скорости 3000 — 10 000 рад!с. Благодаря высоким значениям угловой скорости лопаточные машины имеют, как правило, небольшие значения относительной массы, т.
е. массы, приходящейся на единицу мощности. 3. Возможность достижения в одном агрегате практически неограниченных мощностей и расходов рабочего тела. Так, в настоящее время турбина является двигателем, способным развивать наибольшие мощности в течение продолжительного времени. Мощность отдельных паровых турбин и гидротурбин доходит до 1000 МВт. В то же время в приборостроении применяются турбины, мощность которых измеряется несколькими ваттами. Большие промышленные вентиляторы прокачивают тысячи кубических метров воздуха в секунду, а водяные насосы — десятки кубических метров воды в секунду; в то же время, имеются лопаФгочные насосы с подачей меньше О,1 л!с. 4. Возможность достижения высокого КПД.
КПД, т. е. отношение полезной мощности к располагаемой, у современных лопаточных 2 овсвиииивв в. в, и хр. зз машин может достигать 0,9 Многоступенчатые лопаточные машины авиационных газотурбинных двигателей — турбины и осевые компрессоры — имеют КПД, в отдельных случаях превосходящие 0,9. 5.
Уравновешенность. Принципиально возможно обеспечить работу лопаточной машины без действия неуравновешенных сил инерции. Неуравновешенные силы инерции в лопаточных машинах могут появляться только в результате погрешностей при изготовлении. Практически они сводятся к допустимому минимуму динамической балансировкой роторов машин.
В ТНЛ ЖРД ротор можно сбалансировать с погрешностью не более 10-' Н м. Уравновешенность машины является ценным эксплуатационным свойством, позволяющим резко уменьшить нагрузки и получить более легкую конструкцию. В этом заключается существенное преимущество лопаточных машин перед поршневыми, имеющими кривошипноползунный механизм, который всегда неуравновешен.
б. Высокая надежность и простота обслуживания, 7. Удобство соединения с электродвигателями, генераторами и друг с другом. Лопаточные машины как машины вращательного движения легко соединяются с электромашинами, Кроме того, привод лопаточной машины, потребляющей мощность (компрессора, насоса) от лопаточной машины-двигателя (турбины) легко осуществить непосредственным их объединением.
Такие агрегаты широко распространены в технике. Настоящий курс посвящен теории и расчету агрегата как раз такого вида — ТНЛ ЖРД. В отдельных случаях в ТНА ЖРД применяются шестеренный перебор между насосами и турбиной, но эта схема не типична для современных ЖРД. ' Этим не исчерпываются все характерные свойства лопаточных машин. Выше были указаны только наиболее существенные и общие черты для всех типов лопаточных машин. В каждом частном случае есть преимущества и недостатки по сравнению с другими типами машин.
2.4. ПАРАМЕТРЫ ЛОПАТОЧНЫХ РЕШЕТОК Лопаточные решетки (лопаточные венцы), образующие ступень лопаточной машины, трехмерны, но если ступень рассечь сооснымн поверхностями вращения 1например, для осевой машины цилиндрическими поверхностями), отстоящими друг от друга иа бесконечно малое расстояние, то получим элементарную ступень лопаточной машины, состоящую в развертке из двухмерных плоских лопаточных профилей, В теории лопаточных машин часто вместо рассмотрения имеющегося в действительности обтекания лопаток пространственным неустановившимся потоком жидкости ограничиваются рассмотрением установившегося обтекания плоских решеток двухмерным потоком по ряду сечений, т. е. рассматривают идеализированные схемы течения (с цилиндрическими поверхностями тока для осевых машин и плоскими поверхностями тока для чисто радиальных машин).
34 Рис. 2.7. Лопаточный профиль с обоз- начением основных размеров Рнс. 2.8, Плоская прямая лопаточная решетка Плоская лопаточная решетка состоит из плоских лопаточных профилей. Рассмотрим основные параметры плоского лопаточного профиля и плоской лопаточной решетки. На рис. 2.7 представлен лопаточный профиль. Геометрическое место центров окружностей, вписанных в профиль, образует среднюю линию профиля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
