ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 74
Скачиваний: 0
конструктивных и эксплуатационных мер (применение преднасосов, наддува баков, теплоизоляции и т. д.) возможно измене ние указанных величин, которые надежно могут быть определе ны лишь экспериментально, однако качественный вывод — не выгодность применения в указанных случаях однороторной схе мы ТНА сохранится.
Поэтому полезным может оказаться, наряду с редуктор ной связью, привод насосов компонентов ЖРД от двух турбин, (фиг. 20). Раздельный привод насосов, позволяет поднять обо роты насоса горючего до его предельных, с точки зрения кави тации, значений, что благоприятно скажется на его габаритных и весовых данных. Кроме того, увеличение числа оборотов, как отмечалось, полезно для к. п. д. и габаритов турбины.
Данные табл. 2 особо указыва |
г 1 2 3 |
||
ют на целесообразность применения |
|||
двухроторной схемы в случае ЖРД |
|
||
на водороде, где мощности насосов |
|
||
горючего существенно |
превосходят |
|
|
мощности |
насосов |
окислителя. |
|
В этом случае повышение числа обо |
|
||
ротов турбины привода водородного |
|
||
насоса будет |
весьма |
эффективно. |
|
Наиболее простой схемой двух |
|
||
роторного ТНА является схема ак |
|
||
тивной турбины (фиг. 21). В указан |
|
||
ной схеме привод насосов компонен |
|
||
тов осуществлен от |
двух роторов |
|
|
турбин, вращающихся в противопо |
|
||
ложных направлениях. Однако осу |
|
||
ществить конструкцию такой турби |
|
||
ны, используя максимальные дан |
Ф иг. 21. Активная двухротор- |
||
ные насосов |
(заданная мощность и |
иая турбина |
число оборотов), не всегда возмож но. Поясним сказанное на примере активной идеальной трубины
с симметричными рабочими лопатками и осевым выходом пото ка после второго ротора [треугольник скоростей (фиг. 21)]. Учи тывая равенство расходов газа через первый и второй роторы
турбины, |
можно написать |
|
|
|
|
|
ЛД |
£т, |
Ц1 (g1a |
С2и) |
(21) |
|
W т, |
Д г, |
И2 ( С2а + С3и) |
|
|
где А/'t,, |
Лгт2 — потребные мощности турбин, известные из рас |
||||
|
чета насосов; |
|
|
|
|
ui, |
U2 — окружные скорости |
роторов на |
среднем диа |
||
|
метре; |
|
|
|
|
31
си— окружные составляющие скоростей потока. Учитывая соотношения фиг. 2 1 , получим
|
NTl |
Щ (2и, + 2 и2 + 2 и8) |
/ |
\ 2 , |
9 / и, |
(2 2 > |
|
|
ЛД |
|
«о (2 м2 + 0) |
\ н2 / |
\ и2 |
||
|
|
|
|||||
Если, |
кроме |
того, |
принять средний |
диаметр |
роторов одинако |
||
вым, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(23) |
где п\, |
П2 — числа |
оборотов роторов, |
известные из расчета на |
||||
|
|
сосов на кавитацию. |
|
|
|
|
В указанной формуле из расчета насосов ЖРД, работаю щих на данном топливе, становятся известными как соотноше ние мощностей, так и чисел оборотов.
Естественно, что указанная кинематическая схема может и не обеспечить требуемых соотношений.
Расчеты активных турбин двухроторной схемы в диапазоне перепадов давлений г:т — 10 :-25 с учетом потерь показывают, что в случае использования в первой ступени высокооборотной турбины (когда дастигается максимальная работа, а значит и минимальный расход топлива на привод ТНА) работа газа на первом роторе существенно превосходит работу второго ротора. В этой связи обеспечение максимальных данных насосов компо нентов (см. табл. 3) в схеме двухроторного ТНА при использо вании чисто активной турбины становится невозможным.
Для этой цели более приемлемой схемой является схема активной турбины со ступенями давления (фиг. 20). В такой схеме удовлетворение требуемых соотношений работ и чисел оборотов на обоих роторах, достигается соответствующим под бором перепада давлений в каждой ступени. Использование ступеней давления в турбинах двухроторной схемы ТНА благо приятно и в связи с возможностью раздельной опытной доводки турбин, каждой со своим насосом.
Следует отметить, что, несмотря на очевидное преимущест во двухроторной схемы, ее использование в ТНА осложняется из-за эксплуатационных качеств и, прежде всего, сложности ре гулирования и запуска двигателя.
Тем не менее в двигателях ЖРД, насосы компонентов кото рых имеют существенное различие максимально допустимых чисел оборотов (как это имеет место, например, в случае дви гателей, использующих в качестве горючего водород), примене ние двухроторной схемы ТНА с активной турбиной со ступеня ми давления может быть вполне целесообразным.
32
Радиальные турбины
При небольших перепадах давлений в ступени турбины, что характерно, например, для закрытых схем систем питания ЖРД с дожиганием газа в основных камерах, возможно использова ние в ТНА радиальных центростремительных турбин (фиг. 22).
с, и щ \— -S
сг и щ
Фиг. 22. Радиальная центростремительная турбина
Следует иметь в виду, что при больших мощностях и расхо дах рабочего тела, как это имеет место в 'закрытых схемах, та кие турбины не имеют преимуществ по эффективности, габа ритным и весовым данным перед осевыми схемами. Однако про стота технологии производства радиальных турбин, что особен но важно для двигателей одноразового использования, а также более рациональная конструктивная компоновка ТНА (см. фиг. 3) делают в некоторых случаях использование в ТНА закрытых схем систем питания ЖРД радиальных турбин целесообразным. Кроме того, применение радиальных схем позволяет сравни тельно легко осуществить регулирование турбины путем пово рота ее сопловых лопаток.
4. ПОТЕРИ В ТУРБИНАХ ТНА
Потери в турбинах складываются из потерь в сопловом аппарате, рабочем колесе, потерь, связанных с трением боко вых поверхностей диска турбины и потерь с выходной скоростью газа.
Первые три группы потерь являются чисто гидравлическими (фиг. 23) и учитываются адиабатическим к. п .д., потери с вы ходной скоростью и гидравлические потери определяют величи ну эффективного к. п. д., учитывающего все потери, т. е.
И
Заметим, что при больших расходах газа через турбину,, как это имеет место в турбинах ТРД, значение 1К очень мало и
3 П. К. Казанджан, Ю. П. Тихомиров |
33 |
им обычно пренебрегают. Наличие радиального зазора между лопатками колеса и корпусом турбины вызывает дополнитель ные потери (потери в радиальном зазоре), снижающие адиаба тический и эффективный к. п. д.
В-6,
Фиг. 23. К объяснению |
Фиг. 24. Поправка к величине |
потерь в ступени |
к. п. д. яа окружности колеса актив |
|
ной турбины из-за влияния радиаль |
|
ного зазора |
Принципиально при оценке общих потерь потери в ради альном зазоре можно учитывать соответствующим уменьшением коэффициента скорости в колесе. Однако обычно эти потери учитываются отдельно, так как они зависят от величины отно
сительного зазора — (где 3 — абсолютный зазор, а I — вы
сота лопатки) и наличия бандажа. Если лопатки достаточно длинны или имеется бандаж, потери в радиальном зазоре пре небрежимо малы.
Поправочный коэффициент, учитывающий влияние зазора,
может |
быть определен из опытной зависимости, приведенной |
на фиг. |
24. |
Рассмотрим особенности потерь в турбинах ТНА.
Впредыдущих параграфах было установлено, что в ЖРД,
бсоответствии с требуемой эффективностью и схемой системы питания, турбины ТНА весьма существенно различаются пара
метрами и величинами срабатываемых перепадов.
В турбинах закрытых схем систем питания расходы газа достаточно велики, а степени расширения — незначительны. Условия работы таких турбин, не учитывая особенностей и свойств рабочих тел, мало отличаются от турбин, работающих
всистеме газотурбинных двигателей.
Втурбинах открытых схем систем питания в связи со сра батыванием больших перепадов давления, малыми конструк тивными размерами и парциальным подводом газа создаются специфические условия работы. Становятся, например, ощутиными потери, связанные с трением боковых поверхностей
34
диска, вентиляторным действием лопаток, утечками газа в за зорах и т. д., в то время как в полноразмерных турбинах авиа ционных ВРД эти виды потерь играют незначительную роль. Кроме того, большие сверхзвуковые скорости в элементах про точной части турбин вызывают существенные волновые и гид равлические потери, обусловленные взаимодействием скачков уплотнения с пограничным слоем на лопатках, отрывами пото ка, вихреобразованиями и т. д.
Рассмотрим физические картины течения в решетках при сверхзвуковых скоростях потока.
Работа сопловых решеток на сверхкритических режимах
Достижение сверхзвуковых скоростей в сопловых решет ках с суживающимися межлопаточными каналами (фиг. 25) осуществляется, как известно, расширением потока в косых срезах. Многочисленные опыты показывают удовлетворитель ную работу таких решеток в широком диапазоне скоростей. Однако, начиная со скоростей истечения, соответствующих ади абатическим скоростям по числу Дад < 1,2 , наблюдается рез кое возрастание потерь.
Фиг. 25. Течение в сопловой решетке с суживающимися ка налами при сверхкритических перепадах
Анализ течения в косых срезах решетки при сверхкритиче ских режимах показывает, что причиной резкого увеличения по терь является срыв потока со спинок лопаток, вызванный взаи модействием скачков уплотнения значительной интенсивности с пограничным слоем на профиле.
3* |
35 |
Рассмотрим идеализированный процесс расширения газа в косом срезе ЛВА\ решетки, составленной из тонких пластин (фиг. 25, б). Если предполо жить, что в сечении АВ достигается равномерная звуковая скорость, то по лучаются простые закономерности течения в косом срезе. Примем также ус ловие равенства статических давлений за решеткой и выходными кромками.
При достижении на решетке сверхкритического перепада давлений из точки А исходит центрированная волна разрежения ВАС, отражающаяся от стенки косого среза BAt. Интенсивность волны, очевидно', определяется вели чиной перепада давления па решетке (или величиной Х1ад). В результате воз действия волны разрежения за выходными кромками лопаток решетки встре чаются два потока различной сверхзвуковой скорости как по величине, так и по направлению. Со стороны «корытца» пластины — безразмерная ско рость Х1ад, величина и направление которой определяются заданным перепа дом давлений (при этом угол отклонения скорости от направления пластин (угол v), соответствует углу поворота потока в течение Майера вокруг точ ки А). Со стороны «спинки» — скорость л/.'параллельная пластинам и опре деляемая первичной и отраженной волной разрежения. При слиянии двух потоков «определяющим» является поток с «корытца», как соответствующий величине давления за решеткой. Поток со спинки лопатки по отношению к нему является перерасширенным. Условие течения за выходной кромкой
вызывает |
появление |
двух |
кромочных косых скачков |
уплотнения А I и ЛИ. |
||
С увеличением перепада |
давления |
на решетке интенсивность скачка АI |
за |
|||
метно возрастает и при значениях |
Х1ад> 1,2-:- 1,25 |
приводит к отрыву |
по |
|||
тока со |
«спинок» |
лопаток, .что |
связано с резким |
возрастанием потерь |
(фиг. 25,s). [Расчеты показывают, что интенсивность скачка АН незначи
тельна].
В связи с тем, что получение сверхзвукового потока в косых срезах не связано с каким-либо «расчетным» режимом, сопловые решетки с сужи
вающимися |
межлопаточными |
каналами могут |
удовлетворительно |
работать |
||||
в широком |
диапазоне скоростей, |
начиная от |
дозвуковых, и |
до |
значений |
|||
Xiaa <l,2 |
являются |
наиболее |
целеобразными. |
|
|
|
||
В |
сопловых |
аппаратах |
турбин ТНА открытых |
схем си |
стем питания решетки с суживающимися межлопаточными ка налами из-за больших степеней расширения неприемлемы. Как указано выше, такие решетки, хотя и обеспечивают расширение потока при сверхкритичеоких режимах, но из-за срыва потока работают с очень низкими значениями коэффициентов скорости <р. Кроме того, расширение в косом срезе связано с отклоне нием потока, что приводит к необходимости, учитывая малые значения гидравлических углов а,, применять весьма малые конструктивные углы выходных кромок сопловых аппаратов, что практически неприемлемо. Отклонение потока также огра ничивает расширительную способность косого среза решетки
(М1а = 1 ,0 ).
Для больших сверхзвуковых скоростей истечения должны применяться сопловые решетки с расширяющимися межлопагочными каналами по типу сопел Лаваля.
На фиг. 26 представлены результаты испытаний турбинных сопловых решеток с расширяющимися межлопаточными кана лами. Как видно из графиков, с ростом степени уширения F }IFKp создается возможность сохранить высокое значение коэффици ента скорости <р до все больших сверхзвуковых скоростей, однако при этом наблюдается существенное снижение коэффи циента 9 на меньших скоростях истечения. Геометрически рас-
36
ширяющиеся по потоку межлопаточные каналы решетки обус ловливают характер сверхзвукового течения в них, аналогичный известным свойствам сопел Лаваля.
Фиг. 26. Зависимость коэффициента скорости сопло вых решеток от перепада давлений (A.jM)
Плоское сопло Лаваля при изменении режимов
Рассмотрим идеальное плоское сопло Лаваля (фиг. 27)
с равномерной расчетной сверхзвуковой |
скоростью на выходе. |
|
Расчетным перепадом такого сопла является |
||
р |
|
(24) |
|
|
|
где ,Мад -- расчетное число М сопла, |
подсчитываемое по ве |
|
личине |
|
|
д ( М Мр) = |
^ . |
(25) |
р |
Рх |
|
На фиг. 27 представлены границы областей с иллюстрацией качественной картины течения для каждой из них. По оси орди нат отложена степень отклонения перепада от расчетного зна чения, а по оси абсцисс — расчетное число М сопла.
При отклонении перепада от расчетного значения работа
37
сопла изменяется. Однако при этом хможно выделить ряд харак терных областей, в пределах которых картина течения качест венно сохраняется неизменной.
Ф и г. 27. Плоское сопло Лаваля при изменении ре жимов
Граничные кривые рассчитываются на основании следующих соображе
ний:
I область характеризуется пониженным давлением на выходе (по отно шению к расчетному), когда расширение потока продолжается вне сопла (режим надорасширения) в волнах разрежения, исходящих из угловых то чек А и В. При этом струя на выходе принимает характерную бочкообраз
ную форму. От остальных эта область |
режимов отделена |
горизонтальной |
|
пунктирной чертой, |
характеризующей расчетные перепады |
давлений. |
|
II область, как |
и все последующие, |
соответствует повышению давления |
на выходе по отношению к расчетному (режим перерасширения) и характе ризуется наличием двух косых скачков уплотнения,исходящих из угловых то чек выходного сечения и пересекающихся на оси. Нижняя граница этой об ласти определяется из условия возможности существования скачков CD и СЕ. В связи с тем, что линия тока, проходящая через точку С, прямолиней на, как ось симметрии потока, отклонения потока в скачках CD и СЕ должно равняться отклонению потока в скачках АС и ВС. А так как скорости потока
38