4.4 Плани швидкостей. Режим роботи турбіни
Для
вивчення дії потоку на турбіну простежимо
за зміною швидкості рідини в лопатевій
системі. Позначимо проекції швидкості
на осі циліндричної системи координат:
– радіальну;
– тангенціальну;
– осьову.
В
прямоточній турбіні рідина рухається
в основному вздовж осі і навколо неї.
Рух по циліндричних поверхнях дещо
порушується в результаті перетікання
рідини через радіальні зазори, які
породжують місцеві радіальні течії:
відцентрові – після статора і доцентрові
– після ротора. Але тому, що об’єм
рідини, яка перетікає невеликий, то
приймають, що
(нехтують змінами в потоці рідини вздовж
радіусу і розглядають умови тільки на
одній циліндричній поверхні з розрахунковим
діаметром
).
В густих
решітках турбіни кут нахилу
абсолютної швидкості
(на вході ротора) приблизно рівний кутові
нахилу лопаті статора
.
Значення швидкості визначається витратою
рідини, що прокачується через турбобур.
Зручно визначати не швидкість
,
а її осьову складову
,
(4.4)
де – витрата рідини через турбіну;
– площа поперечного перерізу каналу на виході із статора;
,
(4.5)
де – розрахунковий діаметр турбіни;
h – висота лопатей (див. рис.4.4).
Відносна швидкість натікання рідини на лопаті ротора буде (рис. 4.6)
,
(4.6)
де
– абсолютна швидкість рідини на виході
ротора;
– переносна
(колова) швидкість рідини на вході
ротора.
Напрямок
залежить від співвідношення швидкостей
і
.
При роботі турбобура вказане співвідношення
змінюється. Відповідно змінюється
напрямок відносної швидкості
,
створюючи при цьому різні режими
обтікання лопатей ротора. Найсприятливіші
умови для руху без інтенсивних
вихроутворень виникають приблизно при
нульовому куті атаки (безударний вхід
у ротор). Відповідні швидкості позначимо
індексом “
”
(
,
).
Рисунок 4.6 – Плани швидкостей (а) і полігон швидкостей на безударному режимі (б) в ступені турбіни
Якщо турбіна сповільняє обертання ( ), то виникає зона інтенсивних вихрів S з випуклої сторони профілю, а при збільшенні швидкості ( ) вихроутворення S′ розвиваються на протилежній стороні (див. рис.4.6, а).
В результаті рівності площ поперечних перерізів осьова швидкість на вході в статор така ж, як і на вході в ротор, і рівна . А тому плани швидкостей для обох перерізів однакові.
При
безударному вході в міжлопатеві канали
ротора і статора кути атаки рівні нулю,
а значить
і
.
Суміщені трикутники швидкостей, побудовані при цих умовах, називаються полігоном швидкостей (див. рис.4.6, б). Такий спосіб суміщення планів швидкостей і позначення кутів був запропонований П. П. Шуміловим.
Верхньою
основою трапеції служить колова швидкість
,
а висотою – осьова швидкість
.
Напрямок середньо-векторних швидкостей
і
приблизно співпадає з напрямками хорд:
;
.
Видно також, що одночасні безударні
входи в ротор і статор можуть бути тільки
при додержані подвійної рівності
.
(4.7)
Значить даній лопатевій системі відповідає відповідне відношення швидкостей / . Сукупність гідравлічних явищ в робочій камері турбіни при цьому співвідношенні швидкостей називається безударним режимом роботи турбіни.
Формула (4.7) дозволяє для даної турбіни і для даної витрати рідини визначити колову швидкість , а потім відповідну частоту обертання вала
.
(4.8)