Внешние характеристики газотурбинных установок определяют важнейшие свойства ГТУ в разнообразных условиях их работы, в частности, отражают изменение ее мощности, крутящего момента, КПД от частоты вращения.
Изменение внешних характеристик для простоты рассуждений вначале целесообразно рассматривать на примере работы одной ступени при постоянном расходе рабочего тела и условии, что состояние газа на выходе из направляющего аппарата и рабочего колеса остаются неизменными.
При этих условиях (см. уравнение 2.4), вращающий момент на среднем радиусе r лопаточного колеса турбинной ступени при оптимальной частоте вращения n0 или оптимальной скорости u0 определяется уравнением Эйлера [2]:
М0 = G (r1 c1,u,опт. – r2 c2,u,опт. ) = G (c1,u,опт. – c2,u) r (2.22)
или 
(2.23)
Вращающий момент для любой скорости u можно выразить уравнением:
М = G (c1,u,опт. - c2,u,опт. + u0 – u) r (2.24)
или
(2.25)
Из последнего уравнения видно, что между вращающим моментом М и частотой вращения n существует линейная зависимость. Максимальное значение вращающий момент имеет при n = 0, а при условии u = u0 + c1,u.опт. – c2,u,опт. он обращается в нуль (Рис. 2.9) [2]:
Из сопоставления уравнений (2.23) и (2.25) получим:
(2.26)
Величина К характеризует приспособляемость двигателя к изменению внешней нагрузки.
Если во время работы турбины снять всю полезную нагрузку, а расход рабочего тела сохранить неизменным, то двигатель пойдет в разнос и хотя частота вращения при этом теоретически не будет возрастать бесконечно, но может достичь величины недопустимой с точки зрения прочности ГТУ.
Наличие прямолинейной тяговой характеристики газовой турбины (Рис. 2.9) приводит к тому, что на всех режимах работы агрегата, кроме одного (оптимального), имеет место потеря мощности и его КПД. Связано это опять же с резким изменением КПД турбины от характеристики u/c1. Действительно, при с1 = idem, изменение частоты вращения или, что то же самое, окружной скорости u приводит к резкому изменению мощности установки и ее КПД.
Обычно газотурбинная установка проектируется так, что режимы ее максимальной экономичности и оптимальной мощности совпадают с режимами максимальной частоты вращения. В этих условиях вся ее рабочая зона лежит на левой ветви кривой мощности (см. Рис. 2.9). Соотношение крутящих моментов в этом случае составляет 2-2,3, что является вполне удовлетворительным для условий работы ГТУ с мало меняющейся внешней нагрузкой, что имеет место, например, при их эксплуатации ГТУ на магистральных газопроводах.
Если принять во внимание, что мощность ГТУ зависит в основном от температурного перепада по турбине и расхода газов через турбину, то возможность изменения расхода газов при изменении частоты вращения турбины позволяет раздвинуть диапазон оптимальной мощности турбины в значительном диапазоне изменения частоты вращения (пунктирная трапеция, см. Рис. 2.9).
Мощность, развиваемая турбиной при различной частоте вращения, как известно, определяется соотношением:
N = M w (2.27)
Или в относительном виде:
(2.29)
с учетом уравнения (2.23), получим:
(2.30)
из последнего уравнения видно, что кривая Nотн. = f (nотн.) представляет собой параболу, причем максимальной значение Nотн. достигается при условии (¶ Nотн. / ¶nотн. = 0), Рис 2.10
Переход от моментных характеристик одной ступени к параметрам многоступенчатой турбины в первом приближении осуществляется на основе принципа аддитивности энергетических функций. Работа многоступенчатой турбины представляется как сумма работ отдельных ступеней турбины:
H = å hi (2.31)
Общий момент, развиваемый многоступенчатой турбиной определяется как сумма моментов ее отдельных ступеней:
М = åМi (2.32)
В многоступенчатой турбине имеет место сложное взаимодействие последовательно расположенных ступеней между собой. Здесь и так называемый коэффициент возврата теплоты и частичное использование кинетической энергии потока за рабочим колесом в следующей ступени, изменение пропускной способности турбины и т.п. Можно полагать, что увеличение числа ступеней приводит к улучшению тяговых свойств газотурбинной установки [2].
