HS – Ступень регулируемой турбины с критическим течением

Порты, Свойства, Параметры, Совместимые блоки, Математическая модель, Сопутствующие материалы
палитра схема

Описание

Блок реализует модель регулируемой ступени турбины c критическим течением. При прохождении через ступень турбины рабочее тело теряет свою внутреннюю энергию, совершая работу и расширяясь в соответствии с табличной характеристикой. В отличие от блока HS – Ступень турбины не является дочерним, к гидравлическому контуру подключается за счёт гидравлических связей.

Характеристика турбины представляет собой набор из пяти таблиц, хранящихся в соответствующем табличном файле с расширением «tbl»:

1. Таблица приведённого расхода.

Представляет собой приведённый расход через ступень турбины как функцию:

аргумент W: угла наклона лопатки (угол между положительным направлением касательной к средней линии профиля лопатки в какой-либо точке и отрицательным направлением вектора окружной скорости колеса, проведённого через эту точку);

аргумент X: приведённой степени расширения;

аргумент Y: приведённой частоты вращения;

Характеристика приведённого расхода набрана из двумерных таблиц, число которых соответствует числу точек характеристики по углу наклона лопатки.

2. Характеристика КПД.

Представляет собой КПД турбины или относительный перепад энтальпий как функцию:

аргумент W: угла наклона лопатки;

аргумент X: приведённого расхода или приведённой степени расширения;

аргумент Y: приведённой частоты вращения или приведённого расхода;

Характеристика КПД набрана из двумерных таблиц, число которых соответствует числу точек характеристики по углу наклона лопатки.

3. Моментная или мощностная характеристика.

Для турбин не используется.

4. Таблица, определяющая типы приведённых параметров и коэффициенты пересчёта.

Рисунок 1. Пример таблицы №4, определяющей типы приведённых параметров и коэффициенты пересчёта

По горизонтали цифрами 1, 2, 3 обозначены номера таблиц (Рисунок 2):

  1. Таблица с характеристикой расхода.
  2. Таблица с характеристикой КПД.
  3. Таблица с мощностной или моментной характеристикой.

Рисунок 2. Номера таблиц обозначены по горизонтали цифрами 1, 2, 3

По вертикали цифрами 1 - 6 обозначены номера параметров (Рисунок 3):

Рисунок 3. Номера параметров обозначены по вертикали цифрами 1 - 6

Для таблицы №1:

1. Тип аргумента X в таблице:

где Tin – температура на входе в турбину [K];

Pin – давление на входе в турбину [Па];

Pout – давление на выходе из турбины [Па];

kε – коэффициент пересчёта из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

2. Значение коэффициента kε:

Пример: если при использовании второго типа приведённой степени расширения таблица заполнена в бар/K0.5, то kε=10-5.

3. Тип аргумента Y в таблице:

где w – абсолютная частота вращения турбины [Гц];

∆Tад=Tin⋅(1 - e(1 - kад)/kад) – адиабатический перепад температур [K];

kад – показатель адиабаты;

kw – коэффициент пересчёта из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

4. Значение коэффициента kw:

Пример: если при использовании первого типа приведённой частоты таблица заполнена в об/мин, то kw=60.

5. Тип функции Z в таблице:

где G – абсолютный массовый расход через турбину [кг/с].

kg – коэффициент пересчёта из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

6. Значение коэффициента kg:

Примечание: для функции Z в таблицу заносится не kg, а kg-1.

Для таблицы №2:

1. Тип аргумента X в таблице:

2. Значение коэффициента kg или kε.

3. Тип аргумента Y в таблице:

4. Значение коэффициента kw или kg.

5. Тип функции Z в таблице:

где ƞ=(Cp⋅∆Tад)/(hin - hout) – КПД турбины;

ĥ=(hin - hout)/hin – относительный перепад энтальпий;

hin – энтальпия рабочего тела на входе в турбину [Дж/кг];

hout – энтальпия рабочего тела на выходе из турбины [Дж/кг];

kƞ, kh – коэффициенты пересчёта из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

6. Значение коэффициента kƞ или kh:

Пример: если таблица КПД заполнена в %, то kƞ=100.

Примечание: для функции Z в таблицу заносится не kƞ или kh, а kƞ-1 или kh-1.

Для таблицы №3:

Таблица мощности или момента для турбин не используется.

5. Таблица приведения в соответствие угла наклона лопатки характеристике.

Рисунок 4. Пример таблицы №5, приводящей в соответствие угол наклона лопатки характеристике

По горизонтали указаны значения углов наклона лопатки в градусах (Рисунок 5):

Рисунок 5. Значения углов наклона лопатки

По вертикали под цифрами 1 и 2 обозначены порядковые номера первого и последнего элементов аргумента Y в таблице приведённого расхода, соответствующих данному углу.

Рисунок 6. Порядковые номера первого и последнего элемента аргумента Y в таблице приведённого расхода

Рисунок 7. Таблица приведённого расхода

По вертикали под цифрами 3 и 4 обозначены порядковые номера первого и последнего элементов аргумента Y в таблице КПД, соответствующих данному углу.

Текущее значение угла наклона лопатки задаётся при помощи свойства Угол, °. По ткущему значению угла наклона лопатки проводится интерполяция с целью определения текущего значения привёденного расхода и приведённого КПД.

Для просмотра и редактирования файлов расширения «tbl» имеется встроенный в SimInTech «Редактор таблиц». По умолчанию характеристики турбин располагаются в директории: «\SimInTech\bin\DataBase\HS\ENGINES\TURBINES\».

При помощи блока HS – Ротор возможно организовать механическую связь вала турбины с валом, например, компрессора, насоса или электрогенератора. В таком случае частота вращения вала является величиной, рассчитываемой в блоке ротора. В противоположном случае, когда турбина механически не соединена с ротором, частота вращения турбины определяется свойством Частота вращения (относительная), то есть может быть задана константой непосредственно в свойствах блока или рассчитана в ином месте, например, в скрипте или схеме автоматики.

Рисунок 8. Пример реализации модели турбокомпрессора за счет механической связи турбины с компрессором при помощи ротора

Порты наверх ↑

  • InPort - гидравлический порт для подключения совместимых блоков
  • OutPort - гидравлический порт для подключения совместимых блоков
  • MPORT - механический порт для подключения совместимых блоков

Свойства наверх ↑

  • Наличие механического порта MPort (Константа) - механический порт необходим для подключения объекта к ротору
  • Номинальная частота вращения, Гц wnom (Константа)
  • Частота вращения (относительная) w (Переменная) - текущая относительная частота вращения объекта (используется при условии отсутствия подключения к ротору)
  • Угол, ° state (Переменная) - текущая величина регулирующего угла повортоа лопатки турбины
  • Характеристика FileName (Константа) - имя файла с универсальной характеристикой объекта
  • Цвет tcolor (Константа) - цвет блока на схемном окне

Параметры наверх ↑

  • Напор, Па _pnas
  • Коэффициент сжатия _e
  • Объемный расход, м³/с _qnas
  • Массовый расход, кг/с _gnas
  • Частота вращения относительная _w_otn
  • Частота вращения абсолютная, Гц _w_abs
  • Мощность на валу, Вт _power
  • Момент на валу, Н⋅м _moment
  • КПД _kpd
  • Коэффициент адиабаты _Kad
  • Адиабатический перепад, К _dTad
  • Давление на входе, Па _Pin
  • Температура на входе, °C _Tin
  • Энтальпия на входе, Дж/кг _Hin
  • Давление на выходе, Па _Pou
  • Температура на выходе, °C _Tou
  • Энтальпия на выходе, Дж/кг _Hou
  • Аргумент X для характеристики степени расширения _e_G
  • Аргумент Y для для характеристики степени расширения _e_W
  • Аргумент X для характеристики КПД _kpd_G
  • Аргумент Y для характеристики КПД _kpd_W

Совместимые блоки наверх ↑

Блок может быть соединен с другими блоками посредством гидравлических и механических связей. При помощи гидравлических связей блок может соединяться со следующими блоками:

При помощи механической связи блок может соединяться со следующими блоками:

Математическая модель наверх ↑

Структурно модель представляет собой комбинацию двух блоков типа HS – Подпитка.

Рисунок 9. Структурная схема модели

Установка блока на гидравлическую схему обеспечивает вычисление расхода через турбину как функции приведённой частоты вращения, приведённой степени расширения и угла наклона лопатки турбины. Вычисленное в соответствии с заданной характеристикой значение расхода с противоположными знаками передаётся в блоки подпитки.

Энтальпия рабочего тела на выходе из турбины вычисляется через КПД или относительный перепад энтальпий:

где kƞ, kh – коэффициенты пересчёта из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

В случае подключения турбины к ротору текущее значение мощности (момента) на валу передаётся в блок ротора, где решается уравнение моментов, с целью определения текущей частоты вращения.

Мощность и момент на валу вычисляются по следующим соотношениям:

где N – мощность на валу [Вт];

M – момент на валу [Н⋅м];

wабс – абсолютная частота вращения [Гц];

∆h – перепад энтальпий [Дж/кг].

Сопутствующие материалы наверх ↑