Сущность и особенности ступеней давления.

Основная идея использования многоступенчатых турбин со ступенями давления заключается в существенном снижении скорости с₁, за счет уменьшения располагаемой энергии, приходящейся на одну ступень.

Если число таких ступеней Z и адиабатная работа l_a в них одинакова (что необязательно), то

,                                                                                                     (2.2)

где L_a – адиабатная работа турбины.

В каждой ступени скорость потока с₁ получается в меньше, что позволяет обеспечить g_{1 opt} при меньших окружных скоростях.

Совокупность последовательно включенных турбинных ступеней, из которых каждая использует часть общей располагаемой энергии, называется ступенями давления.

В каждой ступени группы протекает в основном тот же рабочий процесс, что и в одиночной ступени. Но при работе группы ступеней неизбежно взаимодействие ступеней, которое выражается в появление возращенной теплоты второго рода, а также в использовании выходной энергии ступеней. Кроме того, работа группы сопровождается дополнительными потерями энергии, которых нет у одиночной ступени.

58.Внешние характеристики турбин.

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

,

в этой формуле учтено допущение, что с_1u=c_1u0.

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 n_уг

.                                                                                        (5.28)

Угонные обороты соответствуют режиму, при котором выходной и входной треугольники скоростей накладываются один на другой (c_1u-c_2u=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.