Жидкостные ракетные двигатели (стр. 25 )

Сварные корпусы из листовых материалов, как правило, дешевле и лег­че литых, поэтому они находят широкое применение.

Рис.79

Сварной корпус турбины:

1-фланец; 2— коллектор; 3—кольцо

На рис.79 показан пример изготовления сварного корпуса турбины с выхлопным коллектором.

Корпус расчленен на три элементарные детали. Средняя часть — кол­лектор 2 изготовляется штамповкой из тонкого листа, а фланец 1 и посадочное кольцо 3 получены токарной обработкой. Элементарные детали соединены двумя кольцевыми сварными швами С. Сварка ведется в специальном приспо­соблении, детали поворачиваются сварочным манипулятором.

8.12. Классификация турбин

По различным признакам турбины разделяют на активные и реак­тивные, осевые, радиальные и тангенциальные, одноступенчатые и мно­гоступенчатые. Кроме того, отличают турбины со ступенями скорости и ступе­нями давления, парциальные и непарциальные, одновальные и двухвальные.

Разделение на активные и реактивные турбины производится по спо­собу распределения перепадов давления в ступени турбины.

В активных турбинах весь перепад давления, приходящийся на сту­пень, срабатывается в сопловом аппарате, а на рабочих лопатках колеса турби­ны перепад давлений отсутствует. В межлопаточном канале колеса поток пово­рачивается и на лопатки действует сила реакции. Таким образом, часть энергии газов передается ротору и абсолютная скорость газа уменьшается. Если пре­небречь потерями, относительная скорость w остается неизменной, т. е. w1= w2-В реактивных турбинах перепад давления срабатывается в сопловом аппарате и на рабочих лопатках. Вследствие расширения газа на рабочих лопатках отно­сительная скорость w возрастает, т. е. w2>wi, рис.80.

Рис.80

Элементарная схема и треугольники скоростей турбины:

а—активной; б—реактивной

130

Величина располагаемой работы L0, т. е. максимально возможной ра­боты турбины без потерь, определяется адиабатическим перепадом тепла hад (теплоперепадом) от параметров газа в заторможенном состоянии на входе в турбину ( Рвх; Твх) до давления на выходе Рвых.:

где: R, k  - показатель адиабаты  и газовая постоянная рабочего тела турби­ны, соответственно;

Твх и Рвх - заторможенные значения температуры и давления газа перед тур­биной, соответственно; Рвых - давление газа за турбиной.

Отношение адиабатического перепада тепла, срабатываемого на рабо­чих лопатках, к полному перепаду тепла на ступени называется степенью реак­тивности:

Классификация турбин на осевые, радиальные и тангенциальные про­изводится по направлению газового потока, рис.81.

Рис.81

Типы турбин:

- осевая; б—радиальная центростремительная; в—тангенциальная: 7—сопловый аппарат, 2—лопатки

Осевыми турбинами называются турбины, в которых направление по­тока в меридиональном сечении параллельно (или почти параллельно) оси тур­бины.

Радиальными называются турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении перпендикулярно оси турбины. В зависимости от направления потока газа различают центростремительные (направление потока от периферии к центру) и центробежные (направление потока от центра к пе-

риферии) турбины. В некоторых случаях применение радиальной турбины уп­рощает компоновку ТНА

Тангенциальными называются турбины, в которых газ движется по ок­ружности в плоскости, перпендикулярной к оси турбины, и за счет трения ув­лекает за собой лопатки турбины.

По числу ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые турбины, рис.82.

Рис.82

Многоступенчатые турбины:

а—со ступенями скорости; б— со ступенями давления;

в—с поворотом газа

В многоступенчатой турбине газ после выхода из лопаток колеса попа­дает в спрямляющий (сопловой) аппарат и снова поступает на колесо во второй ряд рабочих лопаток. Количество ступеней может равняться двум, трем и бо­лее. Применение многоступенчатых турбин позволяет использовать больший теплоперепад, хотя установка ступеней связана с дополнительными гидравли­ческими потерями, вследствие чего максимальное значение КПД многоступен­чатой турбины меньше, чем КПД одноступенчатой. Применение более двух ступеней дает незначительный выигрыш в работе.

Различают многоступенчатые турбины со ступенями скорости и со ступенями давления. В первых - перепад давлений срабатывается в сопло­вом аппарате первой ступени и полученная кинетическая энергия посте­пенно используется на других ступенях. В турбине со ступенями давления в каждой ступени срабатывает определенный перепад давления. Турбины со сту­пенями скорости имеют меньший КПД, по сравнению с турбинами со ступеня­ми давления, однако, при их применении:

-        требуется меньшее количество ступеней для срабатывания задан­
ного теплоперепада (при одинаковой окружной скорости)'.

более существенно снижается температура газа, поступающего в последующие ступени; значительно уменьшаются осевые силы.

В целом турбины со ступенями скорости проще и в сравнительно не­больших ЖРД целесообразны. В двигателях больших тяг с выбросом генера­торного газа в окружающую среду, когда эффективность ТНА играет сущест­венную роль, возможно применение турбин со ступенями давления.

Разновидностью многоступенчатой турбины со ступенями скорости является турбина с поворотом подвода газа В этих турбинах газ из рабочих лопаток колеса поступает в поворотный канал, где изменяется направление потока, и повторно подводится к рабочему колесу. Такая турбина имеет большие потери, но зато рабочее колесо имеет один венец. Известно примене­ние турбины с поворотом потока в ЖРД «Вальтер».

По степени использования проходного сечения соплового аппарата различают парциальные и непарциальные турбины Парциальными называют­ся турбины, в которых сопловые каналы имеются только на части окружности. Отношение рабочей дуги соплового аппарата ар ко всей окружности называ­ется степенью парциальности:

Парциальность вызывает дополнительные потери. В ряде случаев улучшение КПД турбины за счет увеличения и и за счет увеличена длины ло­паток получается большим, чем падение его вследствие потерь на парциаль­ность. Кроме того, при заданной температуре газа температура лопаток парци­альной турбины ниже.

По числу валов различают одновальные и двухвальные турбины. Схе­ма двухвальной турбины показана на рис.83.

Применение двухвальной турбины в ТНА ЖРД может оказаться целе­сообразным из-за значительной разницы в максимально допустимых числах оборотов насосов горючего и окислителя. Однако применение двухвальных турбин в ТНА может привести к усложнению запуска и регулирования двига­теля, а также и усложняет конструкцию ТНА в целом.

Специфика условий работы турбины в ТНА и требования к ТНА, как важнейшему агрегату двигательной установки, определяют типы турбин, кото­рые рационально использовать при различных схемах двигательных установок ЖРД. В ТНА жидкостных ракетных двигателей применяются главным образом осевые активные турбины. Эти турбины конструктивно проще и достаточно надежны в работе. Для ТНА жидкостных ракетных двигателей, работающих по открытой схеме (с выбросом генераторного газа в окружающую среду),

Рис.83

Двухвальная турбина

характерно применение парциальных активных турбин. Дело в том, что при открытой схеме для уменьшения потерь компонентов на привод ТНА стремят­ся уменьшить расход рабочего тела на турбину (это достигается увеличением перепада давления на турбине= Рвх / Рвых = 15 - 60, за счет снижения дав­ления за турбиной; однако, Рвых, min > 1,4 Рн). Вследствие малых расходов тур­бину целесообразно выполнять парциальной. Наличие же парциальности обу­словливает применение активных турбин, так как в реактивных турбинах вследствие перепада давлений на лопатках колеса возникли бы большие потери из-за перетекания газа в области перед рабочими лопатками, где отсутствуют окна для подачи рабочего тела.

В ТНА двигателей открытых схем используют как одно-, так и двух­ступенчатые турбины, чаще со ступенями скорости.

В ТНА жидкостных ракетных двигателей с замкнутой схемой (с под­водом генераторного газа в головку камеры ЖРД) в основном используются осевые одноступенчатые, низконапорные (пт = 1,15-1,8) турбины с большим расходом рабочего тела. Применение нескольких ступеней при этом нецелесо­образно из-за малого срабатываемого теплоперепада. При замкнутой схеме наряду с активными турбинами могут использоваться и турбины с небольшой реактивностью. Из удобства компоновки при замкнутой схеме возможно при­менение радиальных турбин.

Турбины для первоначальной раскрутки ТНА, работающие от пиро-стартера, обычно выполняют осевыми, одноступенчатыми, парциальными.

8.13.  Основные параметры турбины

1.        Мощность турбины