Что называют универсальной характеристикой турбины
Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБИН
Основная характеристика, которая носит название главной универсальной характеристики (рис. 8-10), строится в координатах Qb. По оси абсцисс откладывают QJ. На поле универсальной характеристики наносят линии равных КПД модели rj, линии равных кавитационных коэффициентов а, линии равных открытий направляющего аппарата а0. Для поворотнолопастной турбины даются углы ср поворота лопастей; для радиально-осевой турбины — линия ограничения мощности N = 0,95 N max-
Таким образом, универсальная характеристика является как бы паспортом испытанной модели. По характеристике можно определить диаметр турбин D, частоту вращения п и предельные высоты отсасывания Hs (см. § 8-5).
Так как у турбины частота вращения п принимается постоянной, то разная приведенная частота вращения на модели соответствует разным напорам натурной турбины. Увеличение приведенной частоты вращения соответствует уменьшению напора натурной турбины..
Универсальная характеристика строится на основе модельных испытаний.
Диаметр рабочего колеса модельных установок в разных лабораториях колеблется от 250 до 600 мм. При энергетических испытаниях напор установки обычно невелик и составляет несколько метров. Для кавитационных и других специальных испытаний создаются установки с напором, приближающимся к натурному. На вал модельной турбины устанавливается либо специальное тормозное устройство, либо генератор. В обоих случаях энергия в конечном счете превращается в тепло. При тормозном устройстве тепло отводится охлаждающей водой, при генераторе, вырабатывающем электрическую энергию, последняя гасится на реостатах и рассеивается в атмосфере. Определение мощности, вырабатываемой модельной турбиной, производится при помощи замера момента, действующего на корпус тормоза или генератора, а также частоты вращения ротора. Момент замеряется при помощи рычага с плечом L, прикрепленного к корпусу тормоза или генератора, и усилия Р, прилагаемого на конце рычага. Частота вращения п определяется по счетчику. Тогда мощность в киловаттах, вырабатываемая турбиной, будет
Мощность, подводимая к турбине Nn, определяется в киловаттах путем замера действующего на установке напора Н и расхода, проходящего через турбину Q, т. е. Na = = РgQH. Отсюда КПД ц — NT/Nn.
Зная напор Н, расход Q, частоту вращения п и диаметр модели, можно по формулам (8-6) и (8-9) определить для любой точки поля характеристики значения п и Qj.
На основе кавитационных испытаний определяются коэффициенты кавитации о, которые также наносятся на универсальную характеристику. Для поворотнолопастных турбин производятся аналогичные испытания для нескольких углов ср поворота лопастей рабочего колеса и для каждого угла ср строится универсальная характеристика пропеллерного режима. По максимальным значениям КПД для разных углов поворота лопастей строятся характеристики т = (Qi) при MI = const.
Используя эти характеристики, наносят линии т = const на поле универсальной характеристики поворотнолопастной турбины. На характеристику наносятся также линии равных углов ф. Таким образом
Универсальная характеристика показывает оптимальный угол для каждого открытия направляющего аппарата. Зависимость a0 = f(cp), соответствующая наибольшим значениям КПД, называется комбинаторной зависимостью.
Рабочими характеристиками турбины называются зависимости при постоянном напоре Н. Для модельной турбины аналогичными характеристиками будут r\M — f(N<) и при постоянном.
Разрезав универсальную характеристику по п = const, можно, пользуясь формулами (8-6), (8-8) и (8-11), построить рабочую характеристику г) = f(N). При определении надо внести поправку Кп.
На рис. 8-13 нанесены рабочие характеристики различных классов и систем турбин, построенные в процентах к максимальной мощности.
Таким образом, поворотнолопастные турбины, будучи самыми быстроходными, имеют в ряде случаев преимущество и по энергетическим качествам. Однако эти турбины уступают радиально-осевым по коэффициенту кавитации и поэтому не могут быть установлены на высокие напоры. Тем не менее, тенденция продвижения поворотнолопастных турбин в область высоких напоров все время остается. Для решения этой задачи используются диагональные турбины, у которых при сохранении поворотного принципа лопастей кавитационный коэффициент ниже, чем у поворотнолопастных турбин.
Групповая рабочая характеристика турбин строится исходя из условия, что для получения наибольшего суммарного КПД нагрузка станции должна распределяться между однотипными турбинами поровну. Имея рабочую характеристику турбины, умножаем для каждого КПД и т. д мощность на 2, 3. п, где п — число однотипных турбин. По полученным точкам строим огибающую кривую, которая и является рабочей характеристикой группы турбин. В качестве примера на рис. 8-14 показано построение групповой характеристики для трех турбин.
Групповая рабочая характеристика позволяет определить наивыгоднейшее число работающих турбин при любой нагрузке станции. При этом предполагается, что генераторы и проточная часть всех агрегатов имеют одинаковые характеристики.
Можно также построить рабочую характеристику гидроэнергетического блока, т. е. зависимость КПД блока от мощности агрегата при постоянном напоре КПД блока является произведением КПД турбины тт генератора т|ген и водопроводящих устройств г|в-
Такая характеристика для Нарвской ГЭС представлена на рис. 28-1. О построении рабочей характеристики блока и группы блоков см. 0-4, с. 359—360.
Обратимые гидравлические машины ГАЭС должны иметь характеристики для турбинного и для насосного режимов. В качестве примера приведены характеристики для радиалы-ю-осевой (рис. 8-15) и диагональной (рис. 8-16) машин.
Так как кавитационные условия насоса хуже, то высотное положение обратимой машины определяется по допустимой высоте всасывания насоса и наинизшему уровню НБ.
Понятие характеристики турбины
Обычно рассматривают две группы параметров:
— параметры, характеризующие режим работы турбины;
— параметры, характеризующие эффективность работы турбины.
— частота вращения n; её изменение осуществляется нагрузкой или разгрузкой выходного вала;
— статическое давление на выходе из турбины 
;
— полное давление на входе в турбину 
;
— полная температура на входе в турбину 
.
Ко второй группе параметров относятся:
— мощность турбины 
;
— удельная работа на выходном валу турбины 
;
— КПД турбины 
;
— расход рабочего тела через турбину 
.
Характеристикой турбины называется зависимость любого параметра из 2-й группы от любого параметра из 1-й группы. Получается много характеристик, например,
Такие характеристики называются характеристиками в нормальном (размерном) виде. Их достоинство – наглядность, недостаток – необходимость иметь большое число кривых для оценки работы турбины. Также по ним трудно сравнивать различные режимы работы турбины.
Кроме нормальных характеристик существуют универсальные, безразмерные характеристики. Достоинством универсальных характеристик является возможность оценивать всё многообразие режимов работы турбины двумя безразмерными параметрами. В частности, для оценки работы турбины часто используется зависимость 
.
С помощью теории подобия от нормальных характеристик турбин можно перейти к универсальным.
Рассмотрим, что представляют собой критерии, характеризующие подобие турбин. Слева в них должны быть безразмерные параметры, характеризующие эффективность работы турбины, такие, как 
, а справа под знаком функции – параметры геометрического, кинематического и динамического подобия.
Здесь Х – отношение геометрических параметров в характерных сечениях;
— критерий кинематического подобия;
— критерии динамического подобия.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Характеристика турбины, способы изменения характеристики
Мощность на валу N = z m n.
Мощность N можно также определить по расходу Q и перепаду давления Dр:
С изменением подачи и качества бурового раствора, прокачиваемого через турбину, изменяются ее энергетические параметры согласно соотношениям, впервые предложенным П.П.Шумиловым:
; 
; 
; 
; 
; 
.
Отношение М/п при роторном бурении значительно больше, чем при турбинном. Особенно четко это видно для турбобуров малых диаметров, поскольку
,
Зная энергетические параметры при одном режиме промывки из стендовых исследований и пользуясь этими соотношениями, можно определить параметры турбины при различных значениях расхода и разном качестве бурового раствора.
Применение маховых масс приводит к смещению и расширению рабочей области турбобура.
С изменением осевой нагрузки и трения в опорах турбобура изменяются и передаваемые на долото мощность и момент.
Область устойчивой работы пр – пу для турбобуров с шаровой опорой шире, чем турбобуров с резино-металлической опорой. Частота вращения пу соответствует предельно допустимому крутящему моменту (осевой нагрузке), при превышении которого вал турбобура перестает вращаться, и определяет устойчивую область работы турбобура слева, т.е. минимальную частоту вращения вала турбобура.
Кроме секционирования, улучшить моментную характеристику турбобура можно применением механических редукторов, которые снижают частоту вращения в 2-3 раза. Например, редукторный турбобур ТР2Ш-195 с многорядным планетарно-фрикционным редуктором имеет частоту вращения около 200 об/мин при КПД = 0,55.
Внешние характеристики
К внешним характеристикам турбинной ступени (турбины) относят мощность N, крутящий момент на валу M, число оборотов ротора n, расход рабочего тела G, располагаемая работа L0, КПД и др. Графическая взаимосвязь между любыми двумя из этих величин называется характеристикой ступени (турбины).Рассмотрим связь между наиболее важными (итоговыми) внешними характеристиками: мощностью N, моментом M и частотой вращения n. При неизменном положении органов управления и регулирования сохраняются постоянными расход рабочего тела G=G0 и располагаемая работа L0=L00. Изменяя нагрузку потребителя механической энергии, произойдет торможение (уменьшение n) или разгон (увеличение n) системы ротор турбины – потребитель. Такая ситуация имеет место при изменении угла установки лопастей ВРШ.
Для крутящего момента можно записать
; 
(5.19)
где r – средний радиус лопаток.
Из треугольников скоростей (рис.13)
, тогда
,
Очевидно, что при u=u0 получим момент М0 на номинальном режиме. При неподвижной турбине достигается наибольшее значение момента
. (5.20)
Так как 
, то
. (5.21)
Введем относительные значения характеристик
, 
,
.
Коэффициент пускового момента называется отношение
. (5.22)
Учитывая, что 
из уравнения (5.21) находим
, (5.23)
. (5.24)
Пренебрегая изменением механических потерь энергии, потерь в решетках, потерь внутренних, а также принимая неизменными расход G и располагаемую работу L0 получим
. (5.25)
Рис. 13 Работа турбинной ступени с переменными оборотами (G = const, L0 = const): а) треугольники скоростей; б) изменение мощности, крутящего момента и КПД в функции частоты вращения.
Из формул (5.24) и (5.25) следует, что при указанных допущениях относительные изменения h и N одинаковы, а кривые 
и 
совпадают.
Анализируя полученные выражения можно сделать вывод, что момент есть линейная функция частоты вращения или окружной скорости. Мощность и КПД изменяются по симметричной параболе (рис.13). У рассматриваемых зависимостей есть три особые точки. Первую из них, где мощность и ПД достигают максимального значения, найдем из условия 
,
, (5.26)
. (5.27)
Формулы (5.26) и (5.27) будут справедливы, если n0 не соответствует максимальной мощности.
Вторая точка соответствует нулевой мощности при вращении турбины, частота вращения при этом называется угонными оборотами nуг
. (5.28)
Угонные обороты соответствуют режиму, при котором выходной и входной треугольники скоростей накладываются один на другой (c1u-c2u=0).
Ротор турбины устремляется к угонным оборотам при потере нагрузки (поломка муфты, потеря винта и т.п.) Практически угонные обороты на 5¸20% ниже значений, вычисленных по формуле (5.28) из – за увеличения механических и внутренних потерь энергии с повышением n.
Третья особая точа соответствует неподвижному ротору турбины n=0, а момент имеет наибольшее значение определенной формулой (5.21), что возможно при G=G0 и L0=L00.
Методические указания и контрольные задания для студентов-заочников по учебной дисциплине «Газотурбинные установки»
вернуться в начало