Файл: Казанджан П.К. Турбины систем питания ЖРД.pdf

мой работы с 1 кг рабочего тела, проходящего через турбину. В таких схемах газ, полученный от сжигания компонентов с избытком или недостатком окислителя, пройдя турбину, посту­ пает далее непосредственно в камеру двигателя, где и дожигается вместе с основным топливом. При этом расходы газа через турбину могут быть весьма значительны; в пределе — случай, когда один из основных компонентов топлива пол­ ностью поступает на турбину ТНА. Большие расходы рабочего тела через турбину не требуют для обеспечения заданной мощ­ ности большой работы от газа, что позволяет применять в тур­ бинах «закрытых» схем низкие степени расширения газа — = 1,2 : 1,8. Необходимо однако иметь в виду, что в этих схе­ мах из-за расширения газа в турбине требуется от насосов со­ ответствующее увеличение давления подачи для обеспечения расчетных параметров в основных камерах. А это связано как с возрастанием потребной мощности насосов, так и с большими давлениями в магистралях системы питания, что является не­ желательным с точки зрения веса и надежности агрегата. Дей­ ствительно, рассмотрим схему с дожиганием (фиг. 13), в кото­ рой в систему питания включены два насоса горючего и один насос окислителя. Причем первый насос горючего обеспечивает подачу с таким давлением, которое необходимо для преодоле­ ния сопротивления магистралей и рубашки охлаждения и впрыск топлива в основную камеру. Второй насос горючего обеспечивает необходимый перепад давления в турбине и газо­ генераторе.

Фиг. 13. Закрытая схема системы питания ЖРД с дожиганием с промежуточным насосом горючего

Более невыгодным, с точки зрения величины мощности привода, является схема, когда подача компонента осущест­ вляется одним насосом, при этом под большим перепадом дав­

20

ления будет находиться и рубашка охлаждения, что увеличи­ вает вес основной камеры.

Рассмотрим баланс мощностей в более невыгодной схеме —

Для данного топлива величины *, чср, а также для выбран­ ной Т * величины *тна. k, R постоянны. Тогда можно написать

ширения на турбине, а тем самым снизить давление в трубо­ проводах и элементах системы питания. (Величины Др и - т взаимосвязаны).

Рабочие тела, а значит и значения k, R для ТНА «закры­ тых» схем аналогичны «открытым» схемам так же, как и уро* вень температур Т * .

21

к. п. д. в таких турбинах должен быть высоким, что позво­ лит, как отмечалось, обеспечить потребную мощность на при­ вод насосов при минимальных значениях перепадов давлений. С точки зрения гидравлики турбины «закрытой» схемы могут быть осуществлены совершеннее турбин «открытых» схем за счет более благоприятных значений отношения ujcl . Однако следует иметь в виду, что слишком малые перепады давлений создают специфику в профилировании лопаточных венцов, конфигурация профилей которых может быть существенно от­ личной от применяемых моделей.

3.КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ТУРБИН ТНА

Втурбонасосных агрегатах ЖРД с открытой схемой систе­ мы питания применяются почти исключительно активные тур­ бины, что объясняется условиями их работы и особенностью выбора расчетных параметров.

Малые перепады давлений в турбинах закрытых схем си­ стем питания и соображения удобства компоновки двигателя

ное отношение и/с\, при котором к. п. д. турбины достигает сво­ его максимального значения.

Величину отношения (м/с,)опт для произвольного значения степени реактивности можно приближенно определить из вы­ ражения [5]:

22

и

cos а

с \

Это же соотношение получается при непосредственном анализе треугольников скоростей ступени активной турбины.

В турбинах ТНА открытых схем, как указывалось в преды­ дущих параграфах, скорости на выходе из соплового аппарата весьма значительны. В соответствии с ними должны иметь большие значения и окружные скорости ротора турбины для обеспечения отношения и/си близкого к(и/с,)опт В противном слу­

оборотов ротора и диаметра колеса. Повышение окружной ско­ рости за счет увеличения диаметра колеса является не всегда приемлемым, ибо связано с ростом веса и габаритов конструк­ ции. Кроме того, с ростом диаметра колеса снижается степень парциальности турбины и соответственно высота лопаток, что

тельно, однако при одновальной схеме ТНА, когда число обо­ ротов насосов подачи компонентов и турбины одинаково, свя­ зано с ограничением по кавитационным режимам насосов и, в первую очередь, насоса окислителя. Применение в соедине­ нии насосов и турбины редукторной передачи для увеличения числа оборотов последней приводит, особенно для небольших ЖРД, к неоправданному увеличению веса и снижению надеж­ ности в работе. Указанные соображения, наряду с требования­ ми прочности, и определяют значения максимальных окружных скоростей ротора ТНА, которые лежат в диапазоне 250— 350 м/сек.

Приведенные данные по величинам щ и и для одноступен­ чатых турбин ТНА обусловливают низкие значения и/щ (вплоть до значений, меньших 0,1).

Это обстоятельство, а также соображения простоты кон­ струкции и уменьшения веса привели к применению в турбинах ТНА открытых схем питания активного принципа работы. Кро­ ме того, в двигателях небольших тяг турбины, как правило,, получаются парциальными, т. е. с неполным подвидом газа по всей окружности лопаточного венца. Наличие парциально­ сти также обусловливает применение активных турбин, ибо в реактивных турбинах из-за наличия перепада давлений на ра­ бочих лопатках возникали бы существенные потери, связанные с перетеканием газа в необтекаемых потоком каналах.

Необходимо отметить, что очень малые значения и/с1 не mo-

23

гут обеспечить достаточно высоких к. п. д. даже при использо­ вании активных турбин (см. фиг. 14), это обстоятельство при­ водит к необходимости, наряду с одноступенчатыми конструк­ циями, применять иные кинематические схемы турбин, обеспе­ чивающие более высокие значения к. п. д.

Рассмотрим основные кинематические схемы турбин ТНА, которые находят применение в турбонасосных системах пита­ ния ЖРД.

Одноступенчатая активная турбина

Как следует из фиг. 14, максимальный к. п. д. в односту­

большой работы с 1 кг газа в открытых схемах приводит к не­ обходимости увеличения перепадов давлений, вследствие чего снижаются значения и с1 и соответственно к. п. д. турбины Одноступенчатые активные турбины ТНА работают, как пра­

вень к. п. д.

Активная турбина со ступенями скорости

Чтобы уменьшить потери с выходной скоростью в одно­ ступенчатой активной турбине, за рабочим колесом распола­ гают неподвижный спрямляющий аппарат (фиг. 16), в кото­ ром изменяется направление потока. Пройдя спрямляющий

24

аппарат, газ поступает во второй ряд рабочих лопаток, где происходит дальнейшее преобразование кинетической энергии в работу на валу. Если за вторым рядом рабочих лопаток поток все еще обладает значительной энергией, возможно до­ бавление еще комбинации спрямляющего аппарата и рабочего колеса (ступени скорости), что должно способствовать увели­ чению работы. Однако следует иметь в виду, что постановка дополнительных ступеней скорости связана и с дополнитель­ ными гидравлическими потерями, вследствие чего максималь­ ные значения к. п. д. таких турбин в сравнении с одноступен­

чатыми конструкциями получаются ниже. Поэтому в ТНА при­

25