Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Осевыми называют турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении параллельно (или почти параллельно) оси турбины. Радиальными называют турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении перпендикулярно оси турбины. В зависимости от направления потока газа различают центростремительные (направление потока от периферии к центру) и центробежные (направление потока от центра к периферии) турбины.
Вследствие больших поверхностей трения и дополнительных поворотов газа при малых и/с, КПД радиальной турбины меньше, чем КПД осевой турбины. Однако в малоразмерных турбинах разница в КПД центростремительной радиальной турбины и осевой турбины невелика. Радиальную турбину можно регулировать поворотом лопаток соплового аппарата. В некоторых случаях применение радиальной турбины упрощает компоновку ТНА. Тангенциальными называют турбины, в которых газ движется по окружности в плоскости, перпендикулярной оси турбины, и в силу трения р Р увлекает за собой лопатки турбины.
По числу ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые турбины (рис. 7.25). В многоступенчатой турбине газ б после выхода из лопаток колеса по- Рис 725 Многоступенчатые турбины. падает в спрямляющий (сопловой) а — со ступенями скорости; б — со ступенями аппарат и снова поступает на колесо давления 362 Глава 7.
Турбонасосные агрегаты во второй ряд рабочих лопаток. Ступеней может быть две, три и более. Применение многоступенчатых турбин позволяет использовать больший тепло- перепад, хотя установка ступеней связана с дополнительными гидравлическими потерями, вследствие чего максимальное значение КПД многоступенчатой турбины меньше, чем КПД одноступенчатой (см. рис. 7.30). Однако, как мы увидим далее, в ЖРД без дожигания генераторного газа турбины ТНА работают при малых значениях и!свв, поэтому в ТНА в ряде случаев для увеличения КПД целесообразно применять двухступенчатые турбины. Использование более двух ступеней дает незначительный выигрыш в работе.
Различают многоступенчатые турбины со ступенями скорости и ступенями давления. В турбине со ступенями скорости перепад давлений срабатывается в сопловом аппарате первой ступени и полученная кинетическая энергия постепенно используется на других ступенях. В турбине со ступенями давления в каждой ступени срабатывает определенный перепад давления. Турбины со ступенями скорости имеют меньший КПД, однако при ступенях скорости, во-первых, требуется меньшее количество ступеней для использования заданного теплоперепада (при одинаковой окружной скорости); вовторых, при срабатывании всего теплоперепада в сопловом аппарате первой ступени существенно снижается температура газа, поступающего в последующие ступени; в-третьих, осевые силы меньше. В целом турбины со ступенями скорости проще и в сравнительно небольших ЖРД целесообразны.
В двигателях больших тяг без дожигания, когда эффективность ТНА играет существенную роль, возможно применение турбин со ступенями давления. По степени использования проходного сечения соплового аппарата различают парциальные и непарциальные турбины. Парциапьными называют турбины, в которых сопловые каналы имеются только на части окружности. Отношение углов рабочей дуги соплового аппарата ар и всей окружности называют степенью парциальности: ар с=в 360' Парциальность вызывает дополнительные потери.
Однако при малых расходах газа (что часто имеет место в ЖРД) применение парциальности позволяет получить турбину достаточного диаметра (для обеспечения допустимого значения и) с лопатками приемлемой длины. В итоге повышение КПД турбины вследствие увеличения и и длины лопаток получается ббльшим, чем снижение его вследствие потерь на парциальность. Кроме того, при заданной температуре газа температура лопаток парциальной турбины ниже. 7.3.
Турбины ТНА 363 По числу валов различают одновальные и двухвальные турбины. Схема двухвальной турбины показана на рис. 7.26. Применение двухвальной турбины в ТНА ЖРД может оказаться целесообразным из-за значительной разницы максимально допустимых чисел оборотов насосов горючего и окислителя. Однако применение двухвапьных турбин в ТНА может привести к усложнению запуска, регулирования двигателя и конструкции ТНА в целом. Основные параметры турбин ТНА Расчет турбин ТНА не отличается принципиально от расчета авиационных газовых турбин и подробно Рис.
7.26. Двухваль иая турбина А~т А~н.о + )~7н.г + ~вон. (7.48) При отсутствии вспомогательных агрегатов т тт А~н.о + А~н.г. В соответствии с выражением (7.10) имеем (7.49) про~ив оргл~г т + РоЧн.о РгЧн.г (7.50) Если пРинЯть ЬР, = ЛР„= ЬР и полагать, что Чн, = Чн.г = Чн, то Ьрт т РтЧн (7.51) где и =Й, +Й,; р, — плотностьтоплива, 1+К Рт= 1 1' + Рг Ро (7.52) изложен в работе 134]. Рассмотрим специфику оценки и выбора основных параметров работы турбины применительно к ЖРД. Потребная мощность турбины М, определяется в общем случае как сумма потребных мощностей насосов окислителя Ф„о„горючего М„„и вспомогательных агрегатов А7„„, приводимых в действие турбиной: Глава 7. Турбонасосные агрегаты /9Т/Р, Вт/Н Потребная мощность турбины на 1 Н тяги Н,/Р приближенно можно определить по формуле (7.51): 9,375 7,50 — (7.53) Р рг3Ъ1,т р,31,1„ 5,625 3,75 На рис. 7.27 приведена приближенная расчетная зависимость Х,/Р = /(р„).
Мы видим, что для ориентировочных оценок можно принимать 1,875 0 2,45 4,90 7,35 9,8 12,25 р„, Мпа Рис. 7.27. Зависимость г/,/Р =Яр,): 1 — Оя + керосин; 2 — ХНО, + керосин; — — ЖРД без дожигания; - - - - — ЖРД с дожиганием /1/, Р Р Мощность турбины (располагаемую) определим по формуле У, =1 71,т„ (7.55) где т, — расход рабочего тела через турбину, 11, — КПД турбины. Степень расширения газа в турбине рассчитывается по соотношению Рея Е т Реня (7.56) сверхзвукового.
В соответствии с равенством (7.55) увеличение степени расширения при повышении 1, приводит к увеличению располагаемой мощности турбины. Однако при больших значениях к, прирост 1,,я и А/, с дальнейшим увеличением к, незначителен. Поэтому в ЖРД без дожигания степень расширения газа л, берется в диапазоне 15...40.
В ТНА установок с дожиганием степень расширения газа на турбине определяется за счет обеспечения соответствия располагаемой мощности турбины и потребной мощности насосов (см. гл. ЧП1). Обычно для ЖРД с дожиганием я, находится в диапазоне 1,3...1,8. В зависимости от величины яг турбина может работать как дозвуковая, т. е. с дозвуковыми скоростями в проточной части, и как сверхзвуковая, т.
е. со сверхзвуковыми скоростями в проточной части. Сверхзвуковые турбины характерны для ТНА открытых схем. В ТНА замкнутых схем обычно турбины дозвуковые, хотя при значениях давлений в камере, близких к максимальным (см. 9 8.1), возможно увеличение отношения давлений рея / р„,„до 365 7.3.
Турбины ТНА Давление на выходе из турбины (противодавление) р,„„определяет при заданной степени расширения я, давление на входе в турбину и его уменьшение приводит к снижению массы ТНА. Таким образом, желательно всегда иметь возможно меньшее р, В турбинах ТНА замкнутых схем р,„„определяется как сумма давления в камере рк и величины потерь давления на участке от турбины до камеры сгорания Ар„: (7.57) рвыв = рк+ дврк. В турбинах ТНА открытых схем желательно иметь возможно меньшее давление р,„„. Однако принимать р, равным давлению окружающей среды р„не всегда целесообразно, так как при изменении высоты полета будет изменяться давление на выходе, а следовательно, и режим работы ТНА. Для обеспечения постоянства режима работы ТНА в конце выхлопной трубы иногда устанавливают насадок со сверхзвуковым соплом Лаваля.
При этом величину р„,„устанавливают из следующих соображений. Если обеспечить з (7+1) ~-~ просто сверхкритический перепад давлений, то р„,„должно быть в ~ — ) раз больше р„, т. е. больше примерно в 1,7... 1,9 раз. Однако, если учесть, что насадок с соплом Лаваля может работать на режиме перерасширения„т. е. с давлениями на выходе из насадка, равными (0,3...0,4)рк, давление р„„можно уменьшить и брать приблизительно равным 1,3р„.
Таким образом, использование перерасширения в выхлопном насадке позволяет на 40... 50 '.4 уменьшить давление р„,„, необходимое для обеспечения постоянного режима работы ТНА. В некоторых случаях для получения постоянного и достаточно малого значения р, „выхлопные газы из ТНА направляют в поток у среза сопла. Температуру газа, поступающего на турбину Т,„, выбирают исходя из прочностных возможностей элементов турбины. В зависимости от режима и * времени работы, а также материала лопаток значения Т,„выбирают в диапазоне 750...1200 К. В некоторых случаях при кратковременной работе Т,„ увеличивают.
Угловая скорость вращения ротора турбины а чаще всего определяется максимально допустимой по условиям кавитации угловой скоростью вращения вала насоса (см. 9 7.1). При этом в одновальном ТНА (см. рис. 7.40) значение в лимитируется угловой скоростью вращения вала насоса окислителя. При редукторной схеме ТНА выбор угловой скорости вращения вала турбины определяется условиями экономичной работы турбины при достаточно малых габаритах. Глава 7. Турбонасосные агрегаты 366 КПД и выбор и/с„в турбинах ТНА Потери работы в турбине складываются из следующих видов потерь: а) гидравлические в сопловом аппарате Ь;, б) гцдравлические при течении газа в рабочем колесе А„' в) с выходной скоростью Ь,„„; г) из-за трения диска и вентиляционные потери С,; д) за счет утечек газа через уплотнения и радиальные зазоры рабочих и сопловых лопаток (последнее — в многоступенчатых турбинах) 7.У„; е) механические Л,, Величина гидравлических потерь 1„и Ь, характеризует степень совер- шенства проточной части турбины и оценивается адиабатическим (лона- точным) КПД 1 — (Е, +Е,) Чвл (7.58) Сущность потерь с выходной скоростью Ь,ы„состоит в том, что газ по выходе из рабочих лопаток турбины обладает определенной конечной скоростью сз, а следовательно, и кинетической энергией, т.
е. с в выв 2 (7.59) Вычитая из располагаемой работы А,л сумму гидравлических потерь А,+ А, и потери с выходной скоростью, определим работу на лопатках, или окружную работу турбины: (7.60) Отношение окружной работы к располатаемой называется окрулсным КЛД: в'в Чв Е, (7.61) Потери из-за трения диска (дисковые потери) вызываются трением боковых поверхностей диска. Вентиляционные потери возникают только в парциальных турбинах. При малой степени парциальности (0,2...0,3) величина потерь может составить 20...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
