Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 61
Текст из файла (страница 61)
30 Ы. Эти потери характерны для парциальных турбин ТНА установок без дожигания. При отсутствии парциальности (а = 1) вентиляционные потери равны нулю. Необходимо иметь в виду, что величина потерь за счет парциальности существенно зависит от конструктивного выполнения соплового аппарата. Использование соплового аппарата, собранного в одном секторе (рис. 7.28, а), более эффективно, чем симметричное 7.3.
Турбины ТНА 367 (7.62) Отношение внутренней работы к располагаемой называется внутренним КПД: (7.63) Вычитая из внутренней работы механические потери из-за трения в подшипниках и уплотнениях, получим эффективную работу турбины Ь,: (7.64) Отношение эффективной работы к внутренней называется механическим (7.65) Отношение эффективной работы к располагаемой называется эффективным КПД Ч, или просто КПД турбины: Ь, Чт Ьч, (7.66) Очевидно, что (7.67) Чт = Ч!Чм Величина Чи обычно равна 0,95...0,99. Величина Ч, для турбин ТНА установок без дожигания находится в пределах 0,3...0,7 (см. табл. 7.2).
Для расположение по окружности колеса нескольких секторов (рис. 7.28, 6). Потери из-за утечек газа зависят, в первую очередь, от величины радиального зазора б между ло- б натками и коРпУсом, а в многостУпенчатых тУРби- Рис 728 Ра положе нах — еще и от зазора между сопловыми лопатками ние соплового аппарата и диском. При длинных лопатках относительный впарциацьнойтурбине: зазор б/1 (где 1 — высота лопатки) невелик и потери а — рациональное; б— также невелики. При коротких лопатках, что харак- церьцццаеиьцце терно для турбин ТНА ЖРД, значение б/1 сравнительно велико и потери становятся значительными. Вычитая из окружной работы вентиляционные и дисковые потери и потери из-за утечек, получим внутреннюю работу турбины: Глава 7.
Турбоиасосные агрегаты 368 Рис. 7.29. Баланс энергий в турбиие в зависимости от и/с, гй Чв Кв + ~уг). (7.68) Для многоступенчатой турбины значение (и/с„), „соответствующее максимальному значению КПД, тем больше сдвигается влево, чем больше число ступеней (рис. 7.30, а). Несмотря на то, что максимальное значение КПД при этом уменьшается, при малых значениях (и/с ),р, величина КПД многоступенчатой турбины выше. Поэтому при малых и/с„часто рационально применение двухступенчатых турбин. При увеличении степени реактивности турбины р значения (и/с„),р„соответствующие максимальному КПД, увеличиваются (рис.
7.30, б); кроме того, характеристики 1Ъ = /(и/с„) при этом более пологие, что иногда существенно для уменьшения разброса характеристик. В ТНА установок с дожи- ч турбин ТНА установок с дожиганием вследст- 1 вне увеличения и/с„увеличивается и 1),. 1Вых 11« Рассмотрим зависимость КПД от и/с,„и выбор окружной скорости. Из всех потерь основными являются потери с выходной скоростью. В Ч! соответствии с равенством (7.59) эти потери тем меньше, чем меньше абсолютная выходная скорость сь В свою очередь, скорость сз зависит от «,+», 1 .-- окружной скорости и, срабатываемого теплопе- репада, т. е. скорости с,„(или, для активной тур- 0 0,2 0,4 0,6 и/с., бины, скорости с1), и степени реактивности р.
1"/с 1 и Исследование изменения окружного КПД турбины 1)„показывает, что 1)„в первую очередь зависит от отношения иlс, (или и/с1 для активной турбины). Типичный вид зависимости 1)„= =/(и/с ) приведен на рис. 7.29. При и/с„= О, т. е. при неподвижной турбине, очевидно, 1)„также равен нулю. По мере увеличения отношения иlс, величина 1)„растет, и при каком-то значении и/с, значение т)„достигает максимума. При дальнейшем увеличении иlс уменьшается т)„, главным образом, вследствие возрастания потерь с ростом выходной скорости. На рис.
7.29 показаны коэффициенты гидравлических потерь в сопловом аппарате с, и на рабочих лопатках Р . Величина с определяется только работой соплового аппарата и от и/с„не зависит. Гидравлические потери на лопатках увеличиваются с уменьшением и/с„. Можно показать (341, что относительные потери на вентиляцию и трение с, и потери на утечки с пропорциональны (и/с„)", где л > 1. На рис.
7.29 пунктиром нанесены относительные потери Р, + ~„,. Вычитая из 1)„ относительные потери, найдем величину внутреннего КПД: 369 7.3. Турбины ТНА 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0 О,! 0,2 0,3 0,4 и/с„О 0,2 0,4 0,6 0,8 и/с„ а б Рис. 7ЗО. Влияние числа ступеней (а) и степени реактивности (б) на КПД ганием, имеющих малый перепад давлений и, как следствие, малые значения с, т. е.
сравнительно большие значения иlс, часто рационально применение реактивных турбин. Величина окружной скорости и зависит от угловой скорости вращения вала турбины и диаметра колеса. Повышение и за счет увеличения диаметра колеса приводит к увеличению габаритов и массы ТНА. Кроме того, при малых расходах газа увеличение диаметра повлечет за собой уменьшение степени парциальности, т. е. увеличение потерь. Учитывая указанные соображения и требования прочности, величину окружных скоростей в турбинах ТНА берут в диапазоне 250...350 м/с.
В турбинах ТНА установок без дожигания вследствие большого перепада давлений на турбине л, срабатываемый теплоперепад (т. е. значения с ) весьма значителен. Так, для одноступенчатой активной турбины величина с~ = <рс доходит до 1000... 1400 м/с. Вследствие этого значения иlс, при которых работает турбина, невелики и находятся в пределах 0,1...0,3. В турбинах установок с дожиганием перепады давлений л, невелики и с„значительно меньше. Поэтому для них значения и/с„больше и составляют величину порядка 0,4... 0,6. Типы турбин ТНА Специфика условий работы турбины в ТНА и требования к ТНА как важнейшему агрегату двигательной установки определяют типы турбин, которые рационально использовать при различных схемах двигательных установок ЖРД. В ТНА жидкостных ракетных двигателей применяют главным образом осевые активные турбины.
Эти турбины конструктивно проще и достаточно надежны в работе. Для ТНА жидкостных ракетных двигателей без дожигания характерно применение парциальных активных турбин. Дело в том, что в этом случае для уменьшения потерь компонентов на привод ТНА стремят- Глава 7. Турбонасосные агрегаты 370 ся уменьшить расход рабочего тела на турбину (это достигается увеличением перепада давления л,). Вследствие малых расходов турбину целесообразно выполнять парциальной.
Наличие парциальности обусловливает применение активных турбин, так как в реактивных турбинах вследствие перепада давлений на лопатках колеса возникли бы большие потери из-за перетекания газа в необтекаемые потоком каналы. Кроме того, при малых и/с„ (что характерно для турбин ТНА открытых схем) снижение степени реактивности приводит к увеличению КПД. В ТНА двигателей без дожигания используют как одноступенчатые, так и двухступенчатые турбины, чаще со ступенями скорости. В ТНА жидкостных ракетных двигателей с дожиганием генераторного газа в основном используются осевые одноступенчатые турбины.
Применение нескольких ступеней при этом нецелесообразно из-за малого срабатываемого тепло- перепада. Отметим, что вследствие больших значений и/с,„наряду с активными турбинами могут использоваться и турбины с небольшой реактивностью. Для удобства компоновки при замкнутой схеме возможно применение радиальных турбин. Если для раскрутки ТНА применяются специальные пусковые турбины, работающие от пиростартера, то их обычно выполняют осевыми, одноступенчатыми, парциальными. Характеристики турбин Зависимость изменения того или иного параметра работы турбины (мощности, крутящего момента, КПД и т. д.) от режима работы турбины (числа оборотов, расхода газа и т. д.) называют характеристикой турбины.
Различают нормальные характеристики, т. е. зависимость между абсолютными параметрами работы, и универсальные, т. е. зависимость между комплексами параметов работы турбины. Построение различных характеристик подробно изложено в работе [341. Для анализа совместной работы турбины и насосов рассмотрим характеристику изменения мощности турбины в зависимости от угловой скорости М,= = Г(а). Для простоты допустим, что при постоянном перепаде давлений л, расход газа, степень реактивности и скорость газа шг не зависят от со. Рассмотрим изменение Рис. 7.31.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
