7.5 Число оборотов ротора турбины

Параллелограммы скоростей на входе и выходе из ротора имеют общие скорости U и Cz .

Совмещенные треугольники скоростей называются полигоном скоростей. Для безударного режима полигон имеет вид, показанный на рисунке 8.11.

Рисунок 7.11

Из полигона видно, что окружная скорость равна

U6 зависит от формы лопаток. Выразим окружную скорость через число оборотов:

Следовательно, число оборотов ротора турбины равно

или, учитывая, что - число оборотов турбины при безударном режиме, составит

т.е. число оборотов турбины зависит от количества перекачиваемой жидкости через турбину в единицу времени , от ее размеровD,и от конструктивных углов ,,

7.6 Определение вращающего момента турбины

При движении потока жидкости через каналы переменного сечения происходит изменение момента количества движения относительно некоторой оси, что связано с действием внешних сил на поток:

По струйной теории Эйлера момент на лопатках гидромашины равен

Для осевой турбины поэтому

где и-проекции скорости на окружную.

Установим связь между моментом и числом оборотов турбины, воспользовавшись полигоном скоростей (рисунок 7.12):

Рисунок 7.12

.

.

Тогда вращающий момент равен

.

Если турбина не нагружена, т.е. ее вал вращается вхолостую, то окружная скорость

, а момент равен нулю:

Таким образом, вращающий момент равен

,

или, выражая окружную скорость через число оборотов, имеем

,

т.к. при n=0 , то

Графическая зависимость вращающего момента от числа оборотов показана на рисунке 8.13.

Рисунок 7.13

7.7 Коэффициенты турбинных решеток

Конструкции решеток определяются формой и углами установки профилей, их относительным шагом и зазором - между статором иротором.

Каждой решетке соответствует своя форма полигона скоростей, а серии решеток - семейство подобных полигонов.

Каждая форма решетки будет обеспечивать определенные параметры работы турбины.

Варьируя углами наклона абсолютных и относительных скоростей при безударном режиме можно изменять как угодно форму полигона. Чаще изменяют не углы, а отношения строя полигона:

;;.

Эти отношения называются кинематическими коэффициентами решеток.

Так, отношение осевой скорости к окружной при безударном режиме называется коэффициентом расхода. Действительно, подставляя значения этих скоростей, получим:

; ;

т.е. коэффициент расхода зависит от количества жидкости, протекающей через турбину в единицу времени, от ее размеров и числа оборотов.

С другой стороны, коэффициент расхода связан с конструктивными углами лопаток, его обратная величина

.

а б

Рисунок 7.14

На рисунке 8.14 видно, что рост коэффициента расхода сопровождается увеличением углов наклона профилей и наклонасредне квадратных скоростей и

Для турбин турбобуров коэффициент расхода принимается равным 0,7 1,3.

По коэффициенту расхода все решетки делят на следующие:

 1 – малолитражные, или высокоскоростные;

 1 – многолитражные, или низкоскоростные.

Рассмотрим отношение , обозначив его - коэффициентциркуляции.

Коэффициент циркуляции представляет собой отношение нижнего основания полигона к верхнему (рисунок 7.15).

Рисунок7.15

а окружная скорость , то коэффициент циркуляции

.

Мощность, снимаемая с вала турбины, равна N = М, поэтому коэффициент циркуляции как бы дает характеристику мощности турбины при безударном режиме, а именно: если коэффициент циркуляции высокий, то мощность создается главным образом за счет момента М, а если низкий, то мощность создается за счет больших скоростей вращения .

В зависимости от величины коэффициента циркуляции турбины бывают: нормальные, высокоциркулятивные >1 и низкоциркулятивные <1. В турбобурах применяются главным образом нормальные турбины.

Коэффициент циркуляции также можно выразить через конструктивные углы:

Коэффициенты активности и реактивности - это отношение проекций средневекторных абсолютной и относительной скорости к окружной скорости вращения турбины при безударном режиме:

Эти коэффициенты характеризуют разнообразие потока в статоре и роторе.

Величину можно найти по заданным углам профиля:

Принято называть решетки турбин при >0,5 активными, а при <0,5 - реактивными.

Если = 1, то это чисто активная турбина, а при = 0 - чисто реактивная.

Предположим, что турбина имеет = 0,5.

Ее полигон скоростей симметричный и профили лопаток статора являются зеркальным отображением профиля лопаток ротора:

Следовательно, С₁ = W₂ , С₂ – W₁.

Это означает, что жидкость движется в статоре и роторе с равными скоростями и, следовательно, износ лопаток одинаков и перепад давления в статоре равен перепаду давления в роторе:

р - перепад давления в ступени турбины.

При >0,5 - турбина активная. С увеличением коэффициента активности гидромеханические нагрузки (скорости и перепады давления) в статоре увеличиваются. При =1 весь перепад давления срабатывается в статоре (перепад давления в роторе активной турбины отсутствует ).

В реактивных турбинах гидромеханическая нагрузка больше в роторе. Т.к. осевая сила за счет гидромеханической нагрузки в турбинах направлена в противоположную сторону действия осевых нагрузок при бурении скважин, то это создает более благоприятные условия работы опорной пяты турбобура.

Чисто реактивные турбины = 0 не имеют практического применения.

С увеличением коэффициента активности возрастает и коэффициент циркуляции (увеличивается основание полигона), лопатки статора становятся более пологими, а у ротора более изогнутыми. В турбобурах применяются преимущественно турбины нормальной циркуляции ( = 7), симметричные (=0,5).