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

Г л а в а III

Р А С Ч Е Т Т У Р Б И Н Ы Т Н А

При расчете турбины ТНА бывают известны следующие данные:

1.Величина потребной мощности, известная из расчета на­ сосов, Л7Т.

2.Давление на входе в турбину [оценивается по величине максимального давления на выходе из насосов и потерь в эле­ ментах системы], р * .

3.Температура на входе в турбину [выбирается в соответ­ ствии с требованиями эффективности и прочности], Т *.

4.Число оборотов [известно из расчета насосов и в случае однороторн'ой схемы соответствует числу оборотов насоса окис­ лителя], п.

Прежде чем приступить к расчету, необходимо оценить сте­ пень расширения газа в турбине, т. е. выбрать величину проти­ водавления за ней.

Выбор противодавления за турбиной

При заданном давлении на входе снижение противодавле­ ния приводит к увеличению степени расширения, а значит и удельной работы газа. В то же время при заданной величине степени расширения в турбинах ТНА с автономной системой питания снижение давления за турбиной приводит к уменьше­ нию давления в газогенераторе, а последнее благоприятно влияет на вес конструкции.

Выбор минимально возможной величины противодавления следует проводить из следующих соображений. Если давление за турбиной принять равным давлению окружающей среды, то при изменении режима полета перепад давлений на турбине будет меняться, в связи с чем будет нарушаться и баланс мощ­ ностей на роторе ТНА.

В частности, с подъемом на высоту избыток мощности у турбины должен приводить к раскрутке ротора ТНА. Послед­ нее может сказаться на устойчивости работы двигателя в це­

71

лом. На практике в этом случае необходимо принимать меры к устранению этого нежелательного явления. Поддержание по­ стоянства мощности, или перепада давления на турбине, можно осуществить введением регулирующих элементов на выходе из турбины (дросселирование и т. д.), а также поворот лопаток соплового аппарата. Однако как первая, так и особенно вторая возможность связаны с усложнением конструкции и системы регулирования двигателя.

Устранить влияние изменения внешних условий на величи- ;ну перепада давления в турбине возможно путем создания сверхкритического перепада между давлением на выходе из турбины и максимальным атмосферным давлением в диапазо­ не применяемых высот, т. е.

k

(42)

.где р2* — давление заторможенного потока за турбиной; р и— максимальное атмосферное давление в рабочем диа­

пазоне высот;

k — показатель адиабаты.

Величина критического перепада давлений в зависимости от рода рабочего тела лежит в пределах 1,7 с- 1,9 (см. табл. 2). При использовании силовой установки в земных условиях ве­ личина противодавления за турбиной в этом случае будет су­ щественна. Создание такого противодавления, если оно полез­ но не используется, является неоправданным, ибо снижается перепад давления, а .в случае автономного питания турбины возрастает давление в газогенераторе. Кроме того, увеличение противодавления приводит к возрастанию вентиляционных потерь.

Применение в выхлопном коллекторе открытых систем пи­ тания расширяющегося сопла позволяет существенно снизить величину противодавления при сохранении в узком сечении кри­ тических параметров. При этом используется та особенность, что поток в сверхзвуковой части сопла Лаваля перерасширяется и образует критическое течение при суммарном перепаде на сопле, меньшем критического, требуемого по соотношению (42). Тогда, создавая противодавление на выходе из турбины немно­ гим больше максимального атмосферного давления и применяя сопла Лаваля в выхлопном коллекторе, можно добиться устра­ нения влияния изменения высотности на мощность турбины.

Для выбора расчетного числа М сопла, которое следует, применять на выходе из турбины при заданных противодавле­

Следует иметь в виду, что выбор очень малых величин про­

72

тиводавления, а тем самым (см. фиг. 47) постановка сопел Лаваля с большими расчетными числами Мр, может привести к глубокому нерасчетному режиму в сопле, связанному с отры­ вом потока, и чисто дозвуковому течению без создания крити­ ческих параметров. Практически следует выбирать при поста­ новке в выхлопном коллекторе сопел Лаваля с Му— 1,5

в управляющих соплах или для наддува баков величина проти­ водавления выбирается, исходя из этих потребностей.

Фиг. 47. Зависимость величины критического перепада давления от расчетного числа М плоского сопла при без­ отрывном течении (расчет)

Выбор величин противодавления за турбиной в закрытых схемах систем питания определяется перепадом давления в эле­ ментах между затурбинным устройством и камерой сгора­ ния, т е,

73

Выбор величины противодавления позволяет оценить сте­ пень расширения газа в турбине. При этом следует учесть, что выбирать тст> 25 нецелесообразно (см. § 2).

Перед проведением газодинамического расчета турбины необходимо выбрать ее кинематическую схему, учитывая изло­ женные выше соображения и требования к эффективности си­

В случае жестких требований к эффективности силовой уста­ новки [например, задается велична 8 формула (5)], возможна предварительная оценка величины эффективного к. п. д., когда по величине о и известному суммарному расходу определяется расход топлива на привод ТНА, а затем — и величина потреб­ ного к. п. д.

7. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТУРБИНЫ ТНА ЖРД

Задание. Рассчитать турбину ТНА, работающую на продук­

в камере 70 кг/см2 работает на топливе «HN03 -j- керосин». Си­ стема питания открытой схемы (Н = 0 и выше).

Из расчета насосов известны

N s= 2700 л. с.; /W 0K= 10000 об/мин; £>Рабтах— 0,3 м.

7 4

ръ s 1,3-дя _0 = 1,35 кг/см2.

В рассматриваемой турбине снижение противодавления до минимально допустимой величины особенно полезно из-за' соответствующего снижения максимального давления в авто­ номной системе питания турбины, что благоприятно с точки зре­ ния веса

Р * = р 2 -кт— 1,35-20 = 27 кг/см 2.

Порядок расчета активной турбины

сдвумя ступенями скорости

I.Определяется адиабатическая работа расширения

рость газа на выходе из соплового аппарата

с, = <р•V2g-Lail= 0,95 •VYg•66300 = 1080 м /сек .

3. Определяется температура газа на выходе из соплового аппарата

4. Определяется удельный вес газа на выходе из соплового; аппарата

5. Выбирается гидравлический угол потока на выходе из соплового аппарата

а1= 15ч-22°, принимаем ах= 20°.

7 5

6. Определяется число М по адиабатической скорости исте­ чения из соплового аппарата, а также конструктивный угол выхода а1к:

9. Определяется безразмерная величина скорости входа на лопатку

2g - ■ R

А- 1

10.Определяется конструктивный угол входа лопатки

Рис = Pi + *'•

где i — угол атаки (2 -г-4°) принимаем р1к = 24°20' + 3°40' = 28°.

11.Принимаем конструктивный угол выхода лопатки рав­ ным углу входа (симметричная лопатка)

=Р,к = 28°.

12.Определяем гидравлический угол выхода потока из ра­ бочей решетки в относительном движении

Рг — Ргк +

где о — отклонение потока при сверхкритическом расширении в косом срезе,

р, == 28° -f- 4° == 32°.

7 6

13. Определяем относительную скорость потока на выхо из рабочих лопаток

<Р= /[ ( & + Рг) и *ш,)] (см. фиг. 31); w 2= 0,829-895 = 742 м/сек.

14. Определяется абсолютная скорость на выходе из раб чих лопаток с2 и угол а2:

с~ = У w 23-\-u2 — 2u-w2- cos р2 =

У 7422+ 2002— 2 - 200- 742- 0,847 = 582 м/сек-.

15. Определяется температура газа на выходе из рабочи лопаток

=- ~ (1080-0,94-f 582-0,608) =-27900 лгглг/лгг. 9,81

Возможна проверка;

газодинамическому расчету одноступенчатой активной турбины, для завершения которого следует далее определить к. п. д., рас­ ход и геометрические размеры.

В случае двухступенчатой турбины со ступенями скорости расчет продолжается в следующей последовательности.

7 7

17. Определяется безразмерная величина скорости на в ходе из рабочего колеса

582

1,115.

522

ЧW + i RT»’

18.Выбирается конструктивный угол входа в направляю­ щий аппарат, при этом учитывается величина К.,

я2к = а2-{-г', где V — угол атаки,

а2к = 52°30' 4- 2°30' = 55е.

19. Выбирается конструктивный и гидравлический угол выхода потока из направляющего аппарата

азк = «2к - ( 2 ° - 5 ° )

(при этом допускается некоторое конфузорное течение) на дан­ ном радиусе

20. Определяется скоростной коэффициент направляющих лопаток

¥ = / [ « + я3) И X , J ;

f= 0,92-0,995 = 0,915.

21.Определяется величина скорости на выходе из соплово­ го аппарата

с3 = '1/-c.j ----- U,9i5-582 = 533 м/сек.

Далее необходимо рассчитать треугольник скоростей и кон­

7 8

38. Определяется суммарная работа на окружности колеса

/-us = LUt + AUi = 28000 + 5490 = 33440 кгм/кг.

39. Определяется к. п. д. на окружности колеса турбины

= 3344U

0,505.

40. В первом приближении оценивается потребный расход таза для обеспечения заданной мощности, при этом за работу

на валу турбины принимается Lu, т. е.

41. По величине потребного расхода в первом приближении определяются геометрические размеры элементов турбины, оце­ нивается величина парциальности. Указанные размеры позво­ ляют внести соответствующие коррективы к величине f\a

(см. § 4).

Высота лопатки допустима, следовательно, турбина полно­ размерная.

42. Пользуясь соответствующими графиками и формулами $ 4, определяем необходимые поправки к к. п. д. на окружности колеса и получаем величину эффективного к. п. д.

Ъ= 0,49.

43.Определяем потребный расход газа через турбину

79