Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана
ИЗУЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ НА МОДЕЛЬНОМ ОДНОФАЗНОМ
И ДВУХФАЗНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория и проектирование ТНА»
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2011
УДК 621.455 ББК 39.65
М17
Рецензент А.Ф. Куфтов
Максимов С. Ф.
М17 Изучение энергетических характеристик активной турбины на однофазном и двухфазном рабочем теле : метод. указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Теория и проектирование ТНА» / С.Ф. Максимов, Д.А. Ягодников, Е.А. Андреев, А.Н. Бобров, П.Б. Крюков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 46, [2] с. : ил.
Рассмотрены расчетные и экспериментальные методы определения характеристик турбины, работающей на однофазном или двухфазном рабочем теле, лабораторный стенд и рабочий участок для испытаний турбины. Приведены описания программного комплекса и методики регистрации и обработки результатов экспериментов на ЭВМ.
Для студентов, обучающихся по направлению «Двигатели летательных аппаратов» и специальности «Ракетные двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
УДК 621.455 ББК 39.65
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011
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
Работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКТИВНОЙ ТУРБИНЫ
НА ОДНОФАЗНОМ МОДЕЛЬНОМ РАБОЧЕМ ТЕЛЕ
Цель работы – исследовать энергетические характеристики турбины, т. е. установить связь параметра, характеризующего выдаваемую на вал эффективную мощность, и независимого параметра, определяющего режим работы.
В качестве параметров оценки энергетических характеристик турбины в лабораторной работе используют крутящий момент Мкр, окружную работу Lu, КПД η, т. е. функционально связанные с мощностью турбины и значением независимого параметра.
Независимым параметром служит отношение окружной скорости на среднем диаметре рабочего колеса Dср к адиабатической
скорости или скорости истечения газа из сопла турбины, т. е. u/cад
или u/c1.
Зависимость КПД от отношения u/c1 (или u/cад) дополнительно дает возможность оценить потери в проточной части турбины и выбрать оптимальные эксплуатационные диапазоны параметров.
1.Основные теоретические сведения
Вактивной сверхзвуковой турбине весь процесс расширения газа осуществляется в сопловом аппарате, где и реализуется располагаемый адиабатический теплоперепад. Таким образом, преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую происходит только в сопловой решетке, а статические давления до и после
рабочего колеса равны: p1 = p2. При этом в процессе обтекания лопаток рабочего колеса потоком газа на рабочей решетке возникают подъемная сила и крутящий момент. Максимума подъемная сила достигает, когда скорость газа относительно профиля лопатки максимальна. Если относительная скорость газа равна нулю,
5