книги из ГПНТБ / Казанджан П.К. Турбины систем питания ЖРД

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

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