287343

ВВЕДЕНИЕ

Отличительная особенность жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) состоит в возможности изменения значения тяги за счет изменения расхода топлива в камеру сгорания. Для ЖРД с турбонасосной подачей топлива это требует изменения режимов работы турбонасосного агрегата (ТНА). Для обеспечения требуемых значений расходов и напоров насосов ТНА необходимо располагать энергетическими характеристиками турбины, приводящей в действие эти агрегаты в широком диапазоне изменения режимных параметров.

Под энергетическими характеристиками турбины принято понимать зависимость работы, КПД, мощности или производных величин от какого-либо независимого параметра, определяющего режим работы.

В качестве независимого переменного обычно выбирают параметр, существенно изменяющий режим турбины, например, отношение окружной скорости к адиабатной скорости истечения газа из сопла (u/cад), или параметр, на который воздействует регулирующий орган (перепад давления на турбине, частота вращения).

Особое место занимают исследования энергетических характеристик турбин на многофазном рабочем теле, когда в нем содержатся твердые частицы сажи или конденсированные капли влаги.

При разработке серии новых ЖРД с новыми ТНА на перспективных компонентах топлива с увеличением мощностей и частот вращения для повышения достоверности результатов и снижения финансовых затрат наряду с расчетными методами большое внимание уделяют модельным испытаниям ТНА. Моделирование предполагает замену натурных условий исследования энергетических характеристик турбины на модельные, согласно положениям теории подобия.

Модельные испытания турбин ТНА можно подразделить на два основных вида:

–испытания моделей турбин (геометрически отличающихся от натурных) на натурном рабочем теле;

–испытание натурных турбин на модельном рабочем теле.

3

Широкое распространение получили модельные испытания турбин ТНА на модельном рабочем теле, в качестве которого используют подогретый воздух с температурой 300…500 К.

Характеристики турбины могут быть получены как теоретическим, так и опытным путем. Однако наиболее достоверными являются те определенные экспериментально на специальных установках, так как теоретический расчет характеристик связан с рядом допущений, снижающих точность искомых параметров. Наиболее трудна при теоретическом способе оценка потерь при переменных режимах.

Испытания натурных турбин на модельных газах – холодном или подогретом воздухе, тяжелых газах (фреоне и других) дают большую экономию, обеспечивают безопасность при работе на стенде, сохраняют ресурс работы турбины.

Лабораторные работы посвящены изучению энергетических характеристик осевой активной парциальной турбины с известными геометрическими параметрами, работающей на модельном однофазном рабочем теле (работа № 1) и на двухфазном рабочем теле (работа № 2).

4

т. е. абсолютная скорость газа равна переносной, то подъемная сила минимальна. Первый случай соответствует заторможенному ротору (частота вращения ротора ω = 0), второй – максимальной частоте вращения (ω = ωmax). На рис. 1.1 представлена качественная зависимость крутящего момента от частоты вращения. Как видно из рисунка и исходя из известной зависимости полезной мощности от частоты вращения и крутящего момента на валу тур-

бины Nпол Mкр , минимальной мощность будет на режиме Мкр =

= Мкр. max, что соответствует значению ω = ωmin (близкому к нулю),

и на режиме ω = ωmax, где Мкр = Мкр. min (близок к нулю). Очевидно, что в промежутке между крайними значениями ω = 0 и ω = ωmax

полезная мощность должна достигать своего максимального значения. Таким образом, в указанном промежутке ωmin…ωmax следует ожидать и максимального значения коэффициента использования энергии рабочего тела, подводимого к турбине, называемого КПД. В дальнейшем зависимость КПД от окружной скорости u1 ляжет в основу критериальной зависимости ηт = f (u/cад).

Рис. 1.1. Зависимость крутящего момента Мu, окружной мощности Nu, КПД турбины η от окружной скорости (частоты вращения)

Располагаемая удельная адиабатная работа Lад – это максимально возможная работа турбины без потерь, эквивалентная адиабатическому перепаду (разности полных энтальпий потока) от

6

начальных параметров p0* , Т0* газа в заторможенном состоянии до статического давления p2:

где k и R – показатель адиабаты и газовая постоянная рабочего тела турбины.

Выходную удельную работу на валу турбины можно найти, вычитая из располагаемой работы потери, состоящие из отдельных составляющих:

Lт = Lад – L – L – Lc – Lтр.д –Lтр.б – L – Lут –Lмех,

где Lт – эффективная работа турбины (работа на валу); Lад – располагаемая работа газа; L – потери энергии в сопловом аппарате; L – потери энергии в каналах рабочего колеса; Lc – потери энергии с выходной скоростью; Lтр.д – потери на трение диска; Lтр.б –

потери на трение бандажа, L – потери энергии из-за парциальности; Lут – потери из-за утечек в зазорах; Lмех – механические потери в подшипниках и уплотнениях.

Из всех потерь энергии в турбине наибольшее значение имеют потери в сопловом аппарате L , проточной части рабочего колеса L и потери с выходной скоростью Lc.

Располагаемая работа на окружности колеса Lu находится вычитанием этих потерь из Lад :

Lu = Lад – (L + L + Lc).

Отношение окружной работы турбины Lu к адиабатической Lад называется окружным КПД турбины, который характеризует использование располагаемой энергии газов на окружности колеса

u Lu .

Lад

Окружной КПД в зависимости от u/c1 также можно подсчитать по аналитическому уравнению (формуле Банки)

7

где и – скоростные коэффициенты сопла и рабочей решетки,

определяемые экспериментально; 1, 1 и 2 – углы направления скоростей потока на выходе из сопла и на входе в рабочее колесо турбины и выходе из него.

Внутренний КПД i характеризует внутреннюю работу турби-

ны, т. е. использование располагаемой энергии газов с учетом потерь на трения диска Lтр.д и бандажа Lтр.б о газ, на парциальность

L , и от утечки части газа через зазор между корпусом и бандажом рабочего колеса Lут , может определяться следующим образом:

i Li ,

Lад

где Li = Lад – (Lтр.д – Lтр.б – L – Lут).

Эффективный КПД турбины

е Lт

Lад

характеризует ее в целом, т. е. показывает использование располагаемой энергии Lад с учетом всех потерь, включая механические. Эффективная работа

Lт = Li – Lмех.

Обычно в ТНА механические потери относят к насосам, а для турбины принимают Lмех = 0, тогда будет выполняться равенство

Lт = Li.

В результате испытания на стенде можно оценить эффективность турбины, определив потери на разных режимах в зависимости от отношения скоростей u/c1 (u – окружная скорость на среднем диаметре лопаточного венца турбины, c1 – скорость истечения газа из сопла турбины).

8

2. Лабораторная установка и рабочий участок

2.1. Состав лабораторной установки

Установка состоит из следующих основных систем и агрегатов:

1)генератора газа (ГГ);

2)системы подачи горючего в ГГ;

3)системы подачи окислителя в ГГ;

4)системы подачи воды в экспериментальный рабочий уча-

сток;

5)системы электропневматического управления агрегатами стенда;

6)системы прерывания рабочего процесса в ГГ;

7)системы измерений;

8)рабочего участка.

Вкачестве механической нагрузки турбины используется гидротормоз.

Основные параметры испытуемой турбины приведены ниже. Параметры соплового аппарата:

Параметры модельного рабочего тела:

Однофазное – воздух с нормальной температурой (293 К) или подогретый до Т = 400….500 К.

9

Двухфазное – воздух с параметрами однофазного рабочего тела и впрыском воды с содержанием по массе от 1 до 15 %.

На рис. 1.2 представлена пневмогидравлическая схема (ПГС) лабораторной установки для испытания турбины, а на рис. 1.3 показан общий вид экспериментального рабочего участка.

Рис. 1.2. Пневмогидравлическая схема лабораторной установки:

1 – баллоны со сжатым воздухом; 2, 6, 9, 18, 27, 40, 53 – манометры; 3, 5, 15, 12,

39, 42, 51 – вентили; 4, 11, 22, 23, 34, 35, 47 – вентили-дозаторы; 7, 17, 21, 45, 48 –

редукторы; 8, 44, 49 – обратные клапаны; 10 – бак с горючим; 13, 43, 50 – клапаны предохранительные; 14 – фильтр; 15, 20 – клапаны отсечные; 16, 19 – электропневмоклапаны (ЭПК); 24 – форсунка; 25 – газогенератор; 26 – электроискровая система воспламенения; 28, 29 – термопары; 30, 33 – дроссельные расходомеры; 31 – турбина; 32 – датчик оборотов; 36 – гидротормоз; 37 – силоизмеритель; 41 – водяной бак подачи воды в гидротормоз; 46 – газовод; 52 – водяной бак

подачи воды в рабочее тело турбины; 54, 55 – электроклапаны

2.2.Описание лабораторной установки

Вкачестве рабочего тела турбины используется холодный или подогретый воздух, который подается в ГГ из баллонов высокого давления 1 через систему запорных вентилей, редуктор 5, вентили 22 и 23, используемые при настройке режимов работы

ГГ(см. рис. 1.2).

10