Ступень турбины


`в палитре`	`на схеме`

Блок реализует модель ступени турбины. При прохождении через ступень турбины рабочее тело теряет свою внутреннюю энергию, совершая работу и расширяясь в соответствии с табличной характеристикой.

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

Таблица коэффициента сопротивления
Представляет собой коэффициент сопротивления (или перепад давления) ступени турбины как функцию:

аргумент X: приведенного расхода или степени расширения «Тип аргумента X в таблице №1»;

аргумент Y: приведенной частоты вращения «Тип аргумента Y в таблице №1»;
Характеристика КПД
Представляет собой КПД турбины или относительный перепад энтальпий (только для газовой турбины) как функцию:

аргумент X: приведенного расхода или степени расширения «Тип аргумента X в таблице №2»;

аргумент Y: приведенной частоты вращения «Тип аргумента Y в таблице №2»;
Моментная или мощностная характеристика
Для турбин не используется.
Таблица, определяющая типы приведенных параметров и коэффициенты пересчета
Таблица, определяющая типы приведенных параметров и коэффициенты пересчета представлена на рисунке (Рисунок 1).
Рисунок 1. Пример таблицы №4, определяющей типы приведенных параметров и коэффициенты пересчета

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

Таблица с характеристикой коэффициента сопротивления.
Таблица с характеристикой КПД.
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:

Тип аргумента X в таблице:

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

Q – обемный расход на выходе из турбины [м³/с];

T_in – температура на входе в турбину [K];

P_in – давление на входе в турбину [Па];

k_g – коэффициент пересчета из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

Значение коэффициента k_g:

Пример 1: если при использовании первого типа приведенного расхода таблица заполнена в кг/ч, то k_g=3600.

Пример 2: если при использовании второго типа приведенного расхода таблица заполнена в (кг⋅K^0.5)/(c⋅бар), то k_g=10⁵.

Тип аргумента Y в таблице:

где w – абсолютная частота вращения турбины [Гц];

∆T_ад=T_in⋅(1 - ε^{(1 - k_ад)/k_ад}) – адиабатический перепад температур [K];

k_ад – показатель адиабаты;

k_w – коэффициент пересчета из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

Значение коэффициента k_w:

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

Тип функции Z в таблице:

где P_out – давление на выходе из турбины [Па];

S – площадь проходного сечения, при котором рассчитывалась характеристика [м²];

ρ – плотность рабочего тела на входе в турбину, при котором рассчитывалась характеристика [кг/м³];

k_ξ – коэффициент пересчета из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

Значение коэффициента k_ξ:

Прим.: для функции Z в таблицу заносится не k_ξ, а k_ξ^-1/(S²⋅ρ) или k_ξ^-1 в зависимости от типа функции Z в таблице соответственно, где S – площадь проходного сечения, при котором рассчитывалась характеристика (обязательно в м²), ρ – плотность рабочего тела на входе в турбину, при которой рассчитывалась характеристика (обязательно в кг/м³).

Для таблицы №2:

Тип аргумента X в таблице:

Значение коэффициента k_g или k_ε.

Тип аргумента Y в таблице:

Значение коэффициента k_w.

Тип функции Z в таблице:

где ƞ=(h_in - h_out)/∆h_ад – КПД газовой турбины;

ĥ=(h_in - h_out)/h_in – относительный перепад энтальпий;

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

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

∆h_ад – изоэнтропийный перепад энтальпии на ступени турбины [Дж/кг];

k_ƞ, k_h – коэффициенты пересчета из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица.

Значение коэффициента k_ƞ или k_h:

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

Прим.: для функции Z в таблицу заносится не k_ƞ или k_h, а k_ƞ^-1 или k_h^-1.

Для таблицы №3:

Таблица мощности или момента для турбин не используется.

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 Ротор возможно организовать механическую связь вала турбины с валом, например, компрессора, насоса или электрогенератора (Рисунок 4). 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 непосредственно в свойствах блока или рассчитана в ином месте, например, в скрипте или схеме автоматики.

Рисунок 4. Пример реализации модели турбокомпрессора за счет механической связи турбины с компрессором при помощи ротора

Совместимые блоки

Соединение блока «Ступень турбины» с помощью механических связей возможно со следующими блоками:

Ротор.

Является дочерним для блоков:

Математическая модель

Установка блока на канал или трубу обеспечивает вычисление коэффициента сопротивления, формирующего перепад давления на турбине, в соответствии с заданной характеристикой (с учетом площади проходного сечения и текущей плотности теплоносителя):

где k_ξ – коэффициент пересчета из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица;

ξ_ПР – приведенное значение коэффициента сопротивления, взятое из таблицы;

K – коэффициент, записываемый в нормировочную таблицу [/(м⋅кг)] или;

S – площадь проходного сечения, для которого рассчитывалась характеристика [м²];

S_тек – текущая площадь проходного сечения [м²];

ρ – плотность теплоносителя на выходе из турбины, для которой рассчитывалась характеристика [кг/м³];

ρ_тек – текущая плотность теплоносителя на выходе из турбины [кг/м³].

При включении опции расчета по формуле Стодолы-Флюгеля таблица с характеристикой сопротивления турбины не используется, а коэффициент сопротивления вычисляется следующим образом:

где P_OU – текущее давление на выходе ступени турбины [Па];

P_IN – текущее давление на входе ступени турбины [Па];

T_IN – текущая температура на входе ступени турбины [К];

G – текущий массовый расход теплоносителя через ступень турбины [кг/с];

P_OU_NOM – номинальное давление на выходе ступени турбины [Па];

P_IN_NOM – номинальное давление на входе ступени турбины [Па];

T_IN_NOM – номинальная температура на входе ступени турбины [К];

G_NOM – номинальный массовый расход теплоносителя через ступень турбины [кг/с];

S – площадь проходного сечения [м²];

ρ – текущая плотность теплоносителя на выходе из турбины [кг/м³].

Для случая газовой турбины убыль тепловой мощности от указанного элемента гидравлического канала/трубы вычисляется через КПД или относительный перепад энтальпий:

где k_ƞ, k_h – коэффициенты пересчета из СИ в единицы измерения, в терминах которых заполнена таблица,

k – опциональная поправка на влажность теплоносителя, вычисляемая следующим образом:

где X_in – относительная энтальпия (массовое паросодержание) на входе ступени турбины;

X_ou – относительная энтальпия (массовое паросодержание) на выходе ступени турбины;

N_st – количество ступеней турбины в отсеке.

Для случая гидротурбины убыль тепловой мощности вычисляется через КПД:

где Q – объемный расход на выходе из турбины [м³/с].

Вышеуказанные величины передаются расчетному ядру для подстановки в уравнения сохранения импульса и энергиии соответственно.

В случае подключения турбины к ротору текущее значение мощности (момента) на валу передается 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];

w_абс – абсолютная частота вращения [Гц];

∆h – перепад энтальпий [Дж/кг].

Входные порты

Блок не имеет входных портов.

Выходные порты

Имя	Описание	Тип линии связи
MPORT	Механический порт для подключения совместимых блоков	Механическая

Свойства

Название	Имя	Описание	По умолчанию	Тип данных
Номер элемента	Element	Номер элемента гидравлического канала, которому принадлежит объект. Объект оказывает влияние на гидравлическую связь между элементом канала с указанным номером и следующим за ним элементом	1	Целое
Наличие механического порта	MPort	Механический порт необходим для подключения объекта к ротору	Нет	Двоичное
Номинальная частота вращения, Гц	wn	Номинальная частота вращения турбины	50	Вещественное
Частота вращения (относительная)	w	Относительная частота вращения объекта (используется при условии отсутствия подключения к ротору)	1	Вещественное
Характеристика	FileName	Имя файла с универсальной характеристикой объекта	b300_st1_ksi	Имя файла базы данных
Гидротурбина	IsHydro	Позволяет моделировать турбину в качестве гидравлической	Нет	Двоичное
Внешний расчет аргумента X для характеристик	ExtArgX	Позволяет задавать значение аргумента X для таблиц с характеристиками через свойство блока	Нет	Двоичное
Аргумент X для характеристик, е.и.	ArgX	Значение аргумента X для таблиц с характеристиками. Используется при условии включенной опции внешего расчета аргумента X для характеристик	0	Вещественное
Расчет по формуле Стодолы - Флюгеля		Настройка рачета сопротивления турбины по формуле Стодолы - Флюгеля
Расчет сопротивления турбины по формуле Стодолы-Флюгеля	UseSF	При включении данной опции расчет сопротивления турбины выполняется в соответствии с формулой Стодолы-Флюгеля	Нет	Двоичное
Номинальный расход через турбину, кг/с	G0	Используется при условии расчета сопротивления турбины по формуле Стодолы-Флюгеля	300	Вещественное
Номинальное давление на входе турбины, Па	P01	Используется при условии расчета сопротивления турбины по формуле Стодолы-Флюгеля	14000000	Вещественное
Номинальное давление на выходе турбины, Па	P02	Используется при условии расчета сопротивления турбины по формуле Стодолы-Флюгеля	8000000	Вещественное
Номинальная температура на входе турбины, °C	T01	Используется при условии расчета сопротивления турбины по формуле Стодолы-Флюгеля	500	Вещественное
Влияние влажности		Включение/выключение учета влажности при расчете КПД турбины
Учитывать влажность теплоносителя при расчете КПД турбины	Hum	При включении данной опции расчет КПД турбины выполняется с поправкой на влажность теплоносителя	Нет	Двоичное
Количество ступеней турбины в отсеке	Nst	Используется при условии учета влажности теплоносителя при расчете КПД турбины	1	Целое
Оформление		Настройка отображения блока на схеме
Цвет	tcolor	Цвет графического примитива	Красный	Перечисление

Параметры

Название	Имя	Описание	Тип данных
Напор, Па	_pnas	Текущее значение создаваемого агрегатом напора (для случая турбины имеет отрицательный знак)	Вещественное
Коэффициент расширения	_e	Текущее значение коэффициента расширения рабочего тела на агрегате	Вещественное
Объемный расход, м³/с	_qnas	Текущее значение объемного расхода рабочего тела через агрегат	Вещественное
Массовый расход, кг/с	_gnas	Текущее значение массового расхода рабочего тела через агрегат	Вещественное
Частота вращения относительная	_w_otn	Текущее значение относительной частоты вращения турбины	Вещественное
Частота вращения абсолютная, Гц	_w_abs	Текущее значение абсолютной частоты вращения турбины	Вещественное
Мощность на валу, Вт	_power	Текущее значение мощности на валу турбины	Вещественное
Момент на валу, Н⋅м	_moment	Текущее значение момента на валу турбины	Вещественное
КПД	_kpd	Текущее значение КПД турбины	Вещественное
Коэффициент адиабаты	_Kad	Текущее значение коэффициента адиабаты рабочего тела турбины	Вещественное
Адиабатический перепад, К	_dTad	Текущее значение адиабатического перепада рабочего тела	Вещественное
Давление на входе, Па	_Pin	Текущее значение давления рабочего тела на входе в турбину	Вещественное
Температура на входе, °C	_Tin	Текущее значение температуры рабочего тела на входе в турбину	Вещественное
Энтальпия на входе, Дж/кг	_Hin	Текущее значение энтальпии рабочего тела на входе в турбину	Вещественное
Давление на выходе, Па	_Pou	Текущее значение давления рабочего тела на выходе из турбины	Вещественное
Температура на выходе, °C	_Tou	Текущее значение температуры рабочего тела на выходе из турбины	Вещественное
Энтальпия на выходе, Дж/кг	_Hou	Текущее значение энтальпии рабочего тела на выходе из турбины	Вещественное
Аргумент X для напорной характеристики	_e_G	Величина рассчитанного аргумента X для напорной характеристики	Вещественное
Аргумент Y для для напорной характеристики	_e_W	Величина рассчитанного аргумента Y для напорной характеристики	Вещественное
Аргумент X для характеристики КПД	_kpd_G	Величина рассчитанного аргумента X для характеристики КПД	Вещественное
Аргумент Y для характеристики КПД	_kpd_W	Величина рассчитанного аргумента Y для характеристики КПД	Вещественное

Примеры

Примеры использования блока: