Материал: Изучение энергетических характеристик активной турбины на модельном однофазном и двухфазном рабочем теле (120

т. е. абсолютная скорость газа равна переносной, то подъемная сила минимальна. Первый случай соответствует заторможенному ротору (частота вращения ротора ω = 0), второй – максимальной частоте вращения (ω = ωmax). На рис. 1.1 представлена качественная зависимость крутящего момента от частоты вращения. Как видно из рисунка и исходя из известной зависимости полезной мощности от частоты вращения и крутящего момента на валу тур-

бины Nпол Mкр , минимальной мощность будет на режиме Мкр =

= Мкр. max, что соответствует значению ω = ωmin (близкому к нулю),

и на режиме ω = ωmax, где Мкр = Мкр. min (близок к нулю). Очевидно, что в промежутке между крайними значениями ω = 0 и ω = ωmax

полезная мощность должна достигать своего максимального значения. Таким образом, в указанном промежутке ωmin…ωmax следует ожидать и максимального значения коэффициента использования энергии рабочего тела, подводимого к турбине, называемого КПД. В дальнейшем зависимость КПД от окружной скорости u1 ляжет в основу критериальной зависимости ηт = f (u/cад).

Рис. 1.1. Зависимость крутящего момента Мu, окружной мощности Nu, КПД турбины η от окружной скорости (частоты вращения)

Располагаемая удельная адиабатная работа Lад – это максимально возможная работа турбины без потерь, эквивалентная адиабатическому перепаду (разности полных энтальпий потока) от

6

начальных параметров p0* , Т0* газа в заторможенном состоянии до статического давления p2:

где k и R – показатель адиабаты и газовая постоянная рабочего тела турбины.

Выходную удельную работу на валу турбины можно найти, вычитая из располагаемой работы потери, состоящие из отдельных составляющих:

Lт = Lад – L – L – Lc – Lтр.д –Lтр.б – L – Lут –Lмех,

где Lт – эффективная работа турбины (работа на валу); Lад – располагаемая работа газа; L – потери энергии в сопловом аппарате; L – потери энергии в каналах рабочего колеса; Lc – потери энергии с выходной скоростью; Lтр.д – потери на трение диска; Lтр.б –

потери на трение бандажа, L – потери энергии из-за парциальности; Lут – потери из-за утечек в зазорах; Lмех – механические потери в подшипниках и уплотнениях.

Из всех потерь энергии в турбине наибольшее значение имеют потери в сопловом аппарате L , проточной части рабочего колеса L и потери с выходной скоростью Lc.

Располагаемая работа на окружности колеса Lu находится вычитанием этих потерь из Lад :

Lu = Lад – (L + L + Lc).

Отношение окружной работы турбины Lu к адиабатической Lад называется окружным КПД турбины, который характеризует использование располагаемой энергии газов на окружности колеса

u Lu .

Lад

Окружной КПД в зависимости от u/c1 также можно подсчитать по аналитическому уравнению (формуле Банки)

7

где и – скоростные коэффициенты сопла и рабочей решетки,

определяемые экспериментально; 1, 1 и 2 – углы направления скоростей потока на выходе из сопла и на входе в рабочее колесо турбины и выходе из него.

Внутренний КПД i характеризует внутреннюю работу турби-

ны, т. е. использование располагаемой энергии газов с учетом потерь на трения диска Lтр.д и бандажа Lтр.б о газ, на парциальность

L , и от утечки части газа через зазор между корпусом и бандажом рабочего колеса Lут , может определяться следующим образом:

i Li ,

Lад

где Li = Lад – (Lтр.д – Lтр.б – L – Lут).

Эффективный КПД турбины

е Lт

Lад

характеризует ее в целом, т. е. показывает использование располагаемой энергии Lад с учетом всех потерь, включая механические. Эффективная работа

Lт = Li – Lмех.

Обычно в ТНА механические потери относят к насосам, а для турбины принимают Lмех = 0, тогда будет выполняться равенство

Lт = Li.

В результате испытания на стенде можно оценить эффективность турбины, определив потери на разных режимах в зависимости от отношения скоростей u/c1 (u – окружная скорость на среднем диаметре лопаточного венца турбины, c1 – скорость истечения газа из сопла турбины).

8

2. Лабораторная установка и рабочий участок

2.1. Состав лабораторной установки

Установка состоит из следующих основных систем и агрегатов:

1)генератора газа (ГГ);

2)системы подачи горючего в ГГ;

3)системы подачи окислителя в ГГ;

4)системы подачи воды в экспериментальный рабочий уча-

сток;

5)системы электропневматического управления агрегатами стенда;

6)системы прерывания рабочего процесса в ГГ;

7)системы измерений;

8)рабочего участка.

Вкачестве механической нагрузки турбины используется гидротормоз.

Основные параметры испытуемой турбины приведены ниже. Параметры соплового аппарата:

Параметры модельного рабочего тела:

Однофазное – воздух с нормальной температурой (293 К) или подогретый до Т = 400….500 К.

9

Двухфазное – воздух с параметрами однофазного рабочего тела и впрыском воды с содержанием по массе от 1 до 15 %.

На рис. 1.2 представлена пневмогидравлическая схема (ПГС) лабораторной установки для испытания турбины, а на рис. 1.3 показан общий вид экспериментального рабочего участка.

Рис. 1.2. Пневмогидравлическая схема лабораторной установки:

1 – баллоны со сжатым воздухом; 2, 6, 9, 18, 27, 40, 53 – манометры; 3, 5, 15, 12,

39, 42, 51 – вентили; 4, 11, 22, 23, 34, 35, 47 – вентили-дозаторы; 7, 17, 21, 45, 48 –

редукторы; 8, 44, 49 – обратные клапаны; 10 – бак с горючим; 13, 43, 50 – клапаны предохранительные; 14 – фильтр; 15, 20 – клапаны отсечные; 16, 19 – электропневмоклапаны (ЭПК); 24 – форсунка; 25 – газогенератор; 26 – электроискровая система воспламенения; 28, 29 – термопары; 30, 33 – дроссельные расходомеры; 31 – турбина; 32 – датчик оборотов; 36 – гидротормоз; 37 – силоизмеритель; 41 – водяной бак подачи воды в гидротормоз; 46 – газовод; 52 – водяной бак

подачи воды в рабочее тело турбины; 54, 55 – электроклапаны

2.2.Описание лабораторной установки

Вкачестве рабочего тела турбины используется холодный или подогретый воздух, который подается в ГГ из баллонов высокого давления 1 через систему запорных вентилей, редуктор 5, вентили 22 и 23, используемые при настройке режимов работы

ГГ(см. рис. 1.2).

10