Элементарная схема и треугольники скоростей турбины:
а—активной; б—реактивной
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:
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 периферии) 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 заданного 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