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

Указанное положение находит простое физическое объяс­

В случае, если при заданной скорости щ величина и пре­ высит значение, которое следует из формулы (16), скорость на выходе из турбины будет увеличиваться и отклоняться от осе­ вого направления в сторону вращения рабочего колеса. Это может привести к снижению величины работы на лопатках второго ряда турбины, которая при дальнейшем увеличении окружной скорости станет отрицательной и существенно ска­ жется на величине к. п. л.

Соотношение работ на ступенях скорости с ростом числа ступеней весьма существенно изменяется. Если рассмотреть, треугольник скоростей (фиг. 16), то согласно уравнению Эйлера можно написать

гдь LuV La2 — работа на первом и втором венце рабочего коле­ са. Тогда

7-В1 •^-и2 3 .1 .

Для трехступенчатой турбины на режиме максимального к. п. д. и в тех же предположениях соотношения работ на венце будут

•^«1 •^«2■^иг = 5 .3 . 1.

Приведенные соотношения показывают, что применение боль­ ше двух ступеней скорости в турбинах ТНА не может принци­ пиально дать существенного выигрыша в к. п. д. Турбины с дву­ мя ступенями скорости, наряду с одноступенчатыми конструк­ циями, находят широкое применение в ТНА небольших ЖРД, где большую роль играют простота и надежность работы агрегата. Кроме того, применение ступеней скорости позволяет снизить габариты, а значит и в некоторых случаях вес конст­

26

рукции, ибо допускает в сравнении с одноступенчатыми турби­ нами более низкие значения окружных скоростей.

Активная турбина с повторным подводом газа

В турбинах малой мощности с малой степенью парциальности в целях увеличения к. п. д. при максимальной простоте конструкции применяют одновенечные активные турбины с по­ вторным подводом газа (фиг. 18).

Фиг. 18. Активная турбина с повторным подво­ дом газа

В таких турбинах используется также принцип ступеней скорости с той только разницей, что ступени скорости выпол­ няют на одном ряде рабочих лопаток. Газ после выхода из со­ плового аппарата, пройдя рабочие лопатки, поступает в пово­ ротный канал, где изменяется направление потока, и газ по­ вторно подводится к рабочему колесу.

Применение таких турбин особенно целесообразно при ма­ лых значениях степени парциальности. В связи со снижением осевой скорости потока по ступеням в поворотных каналах при постоянной высоте рабочих лопаток (одно рабочее колесо), число межлопаточных каналов, занятых газом, увеличивается, а следовательно, и возрастает степень парциальности, а значит снижаются вентиляционные потери в ступени.

Турбины с повторным подводом газа, помимо простоты конструкции и возможности повышения степени парциально-

27

сти, позволяют осуществлять в каждом секторе подвод потока к рабочему колесу с малыми углами аи что увеличивает рабо­ тоспособность газа. Поворот потока в каналах турбины этой схемы почти на 180° влечет за собой довольно значительные потери, однако эта схема имеет то преимущество, что исполь­ зуется только одно рабочее колесо и увеличивается степень парциальности. При малых мощностях турбин и малой степени парциальное™, когда доля вентиляционных потерь велика, при­ менение турбин с повторным подводом газа может дать хоро­ шие результаты. Турбина такого типа применялась в ТНА самолетного ЖРД фирмы «Вальтер». При мощности турбины

Мт— 90 л. с. и и/с{ — 0,16 величина т|а= 0,31.

Активная турбина со ступенями давления

При малых значениях величины u/ci к. п. д. турбины даже при применении ступеней скорости не может принципиально иметь высокое значение, в то же время в ряде случаев, особен­ но для мощных ЖРД, из условия повышения эффективности всей системы питания это является необходимым.

В этом случае целесообразно использование турбин со сту­ пенями давления, когда суммарный перепад на турбине распре­ деляется между ступенями.

В связи со снижением перепада давления в каждой ступени скорости на выходе из сопловых аппаратов уменьшаются, что позволяет при заданном уровне окружных скоростей иметь ь каждой ступени отношение и/си близкое к оптимальному. Увеличение количества ступеней снижает и величины скоростей в лопаточных аппаратах. Оба этих фактора, а также наличие ^известного эффекта возврата тепла, способствуют получению высоких к. п. д. Кроме того, если первые ступени турбины

28

имеют малую степень парциальности, то она постепенно увели­ чивается при движении от ступени к ступени.

Возможно использование в турбине комбинации ступеней скорости и давления (фиг. 19). Такая смешанная конструкция позволит более гибкий выбор кинематической схемы, обеспечи­ вающей максимальную эффективность при заданных расчетных условиях.

Турбины со ступенями давлений, как это следует из табл. 1, находят широкое применение в ТНА мощных ЖРД, где эффек­ тивность системы питания играет существенную роль.

Двухроторная активная турбина

В известных ЖРД наибольшее распространение получили системы питания с ТНА однороторной схемы, когда насосы компонентов и турбина размещаются на одном валу. Исполь­ зование редукторной связи между элементами в связи со слож­ ностью конструкции, обеспечения смазки и необходимой на­ дежности затруднено и может быть оправдано лишь в двигате­ лях тяжелых ракет.

В то же время, особенно для некоторых топлив ЖРД, раз­ дельный привод насосов был бы весьма полезен.

Действительно, повышение чисел оборотов элементов ТНА весьма желательно, ибо, с одной стороны, появляется возмож­ ность при данной величине напора снизить габариты и вес топ­ ливных насосов, а, с другой стороны, обеспечивается большая эффективность турбины как за счет более благоприятного от­ ношения w/Cj, так и повышения ее степени парциальности. Кро­ ме того, создается возможность перехода к более простым ки­ нематическим схемам турбины.

Максимальные числа оборотов ТНА однороторной схемы ограничены появлением кавитации в насосах и прежде всего в насосах окислителя. В этой связи при однороторной компо­ новке ТНА насосы горючего и турбина попадают в неблаго­ приятные условия. При использовании топлива ЖРД, насосы компонентов которого имеют существенное различие макси­ мально допустимых чисел оборотов, применение однороторной схемы ТНА становится нецелесообразным.

Рассмотрим для примера использование в ЖРД некото­ рых существующих и перспективных топлив (см. табл. 2) [2].

Как известно из теории насосов, выбор максимальных чисел оборотов проводится с учетом наступления кавитации по фор­ муле

где рвх — давление на входе в насос компонента; /?г — давление упругости паров компонента;

29

с — кавитационный коэффициент быстроходности; Q — объемный расход компонента,

7 — удельный вес компонента.

Если для качественной оценки принять величины (р вх -—p s) и с у насосов окислителя и горючего одинаковыми, то получим выражение, позволяющее определить соотношение максимально

Расчеты по формуле для некоторых типов топлив представ­ лены в табл. 3. Там же приведены соотношения мощностей насо­ сов компонентов, полученные при условии равенства на насосах

Как видно из таблицы, максимально допустимые числа обо­ ротов насосов, особенно у двигателей, использующих в качестве

торной схемы в данном случае поставит насос горючего и тур­ бину в весьма неблагоприятные условия.

Следует заметить, что указанные расчеты выполнены при достаточно грубом допущении. В зависимости от применяемых

30