И стенд для его осуществления
4
На представленный ниже способ испытаний и стенд для его осуществления получен патент № 2023248 [99]. Автор настоящей монографии является соавтором указанного изобретения.
Стенд изготовлен в МГТУ и был использован для натурных испытаний серийных роторов ТК-23 двигателя 8NVD48, а также использовался для экспериментальных исследований упругодемпферных опор и в учебном процессе МГТУ.
Сущность патентуемого способа заключается в том, что воздух высокого давления от пускового компрессора подают в поворотное сопло газоотводящего патрубка турбины, предварительно поворачивая сопло для создания прямого или обратного перепада давления в проточной части турбокомпрессора, а измерения параметров потока по тракту турбокомпрессора проводят как при прямом, так и при обратном перепаде давления в проточной части турбокомпрессора. Кроме того, измерения по тракту турбокомпрессора проводят при снятом или заторможенном роторе турбокомпрессора.
Стенд для испытаний турбокомпрессора включает испытуемый турбокомпрессор, состоящий из компрессора, турбины, входного напорного и газоотводного патрубков, камеру сгорания и пусковой компрессор, соединенные с испытуемым турбокомпрессором патрубками, дополнительно снабжен двухступенчатым эжектором, установленным за турбиной в газоотводном патрубке, причем первая ступень эжектора снабжена диффузором и поворотным соплом, соединенным трубопроводом с пусковым компрессором, а вторая ступень снабжена диффузором с кольцевым соплом, соединенным трубопроводом с напорным патрубком турбокомпрессора за камерой сгорания.
Достигаемый технический результат заключается в расширении диапазона режимов испытаний турбокомпрессора путем испытаний газовоздушного тракта при снятом или заторможенном роторе турбокомпрессора с прямым и обратным направлением движения рабочего тела, что позволяет анализировать отдельно неподвижную и подвижную части турбокомпрессора. Кроме того, наличие двухступенчатого эжектора, установленного за турбиной, позволяет снизить мощность пускового компрессора особенно для перегрузочных режимов работы турбокомпрессора, что существенно снижает затраты на испытания. Кроме того, предлагаемые способ и стенд испытаний турбокомпрессора позволяют путем измерений определить величину кромочных, профильных и иных потерь отдельно в подвижных и неподвижных частях газовоздушного тракта турбокомпрессора, а также производить испытания турбокомпрессора с частотой вращения ротора выше номинальной, т. е. в режимах с перегрузкой. При этом диапазон испытаний режимов работы турбокомпрессора расширяется от частоты вращения ротора, равной нулю, до предельной, определяемой прочностью конструкции без применения пускового компрессора с мощностью, превышающей испытуемый.
На рис. 4.16 изображена принципиальная схема стенда.
Стенд содержит испытуемый турбокомпрессор 1 с турбиной и общим ротором 3, газовоздушный тракт в составе всасывающего патрубка 4 напорного патрубка 5 с камерой сгорания 6 и газоотводного патрубка 7, двухступенчатый эжектор 8 с осевым поворотным соплом 9 первой ступени и периферийно-кольцевым соплом 10 второй ступени, пусковой компрессор 11 с патрубком 12, подключенным при помощи клапана 13 к соплу 9. Сопло 10 подключено трубопроводом 14 при помощи клапана 15 к напорному патрубку 5 за камерой сгорания.
На стенде, включающем испытуемый турбокомпрессор 1, 2 и 3, газовоздушный тракт с камерой сгорания 6, всасывающий 4, напорный 5 и газоотводящий 7 патрубки с двухступенчатым эжектором 8 и пусковой компрессор 11, производят под-
готовку к испытаниям. Для этого на первом этапе вначале снимают ротор 3 турбокомпрессора. Затем пускают пусковой компрессор 11 и подают сжатый воздух на поворотное сопло 9 двухступенчатого эжектора 8, установленного в направлении по ходу рабочего тела и создают разряжение в газоотводном патрубке 7.
При этом атмосферный воздух поступает через диффузоры эжектора 8 к соплу 9, смешивается с воздухом пускового компрессора 11 в газоотводном патрубке 7 и далее проходит последовательно через сопловой аппарат и улитку турбины 2, напорный патрубок 5 с камерой сгорания 6, улитку и диффузор компрессора 1 и через всасывающий патрубок 4 выбрасывается в атмосферу. При таком обратном движении воздуха определяют его расход, температуру и перепады давлений по газовоздушному тракту, что позволяет определить сопротивление элементов газовоздушного тракта и судить о состоянии изготовления и монтажа упомянутых элементов, включая выходные кромки диффузора компрессора 1 и соплового аппарата турбины 2 с улитками.
На втором этапе испытаний устанавливают ротор 5 турбокомпрессора на место и укрепляют его в неподвижном состоянии. После этого производят аналогичные испытаний турбокомпрессора и газовоздуі иного тракта в прямом и обратном направлениях движения воздуха. Это позволяет получить характеристики элементов газовоздушного тракта и сравнить их с теми же значениями, полученными на первом этапе. В этом случае оказывается возможным судить об аэродинамике рабочих колес компрес
На четвертом этапе осуществляют испытания турбокомпрессора с подводом топлива в камеру сгорания б для увеличения температуры газов перед газовой турбиной 2.
На этом этапе снимаются рабочие характеристики турбокомпрессора, включая частоту вращения ротора 3. Определяются условия запирания соплового аппарата турбины 2, которые способны вызвать номпажные явления в проточной части компрессора 1, находятся границы устойчивой работы турбокомпрессора.
На последнем пятом этапе осуществляют испытания турбокомпрессора со сбросом части рабочего тела из напорного патрубка 5 во вторую ступень эжектора с кольцевым соплом При этом увеличивается разряженное в газоотводном патрубке 7, при котором растет перепад давлений па турбине 2 и ее мощность, а ротор 3 раскручивается до частоты вращения выше номинальной.
Этот этап позволяет производить испытания турбокомпрессора на достижение предельной частоты вращения ротора вплоть до разрушения. В результате расширяется диапазон испытаний турбокомпрессора при мощности пускового компрессора 11 ниже испытуемого. Стенд испытаний турбокомпрессора работает следующим образом.
При снятом или заторможенном роторе 3 запускают в работу пусковой компрессор 11 и при открытии клапана 13 по трубопроводу 12 подводят воздух к поворотному соплу 9 двухступенчатого эжектора 8. При положении поворотного сопла 9 в соответствии со схемой на рис. 4.16 в газооотводном патрубке 7 создают разрежение. При этом воздух поступает во всасывающий патрубок и проходит последовательно через диффузор и улитку компрессора (не показаны), напорный патрубок 5, камеру сгорания б, улитку и сопловой аппарат турбины 2, газоотводной патрубок 7, двухступенчатый эжектор 8 и выбрасывается в атмосферу. При этом снимаются показания приборов по элементам газовоздушного тракта. Затем патрубок сопла 9 разворачивают на 180° и в газоотводном патрубке 7 создают избыточное давление. При этом воздух движется через газовоздушный тракт в обратном направлении. Снова снимают показания приборов по элементам газовоздушного тракта.
При установленном и расторможенном роторе 3 запуск стенда в работу обеспечивают аналогично при направлении сопла 9 в соответствии со схемой на рис. 4.16. При этом снимают показания приборов при холостом ходе турбокомпрессора без подогрева рабочего тела. Затем подают топливо в камеру сгорания б, воспламеняют его и увеличивают
6. В. А. Антипов
температуру рабочего тела перед турбиной до поэтапного достижения номинальной частоты вращения ротора и снимают на каждом этапе показания приборов, установленных по газовоздушному тракту.
Достижение предельной частоты вращения ротора турбокомпрессора осуществляют путем увеличения температуры рабочего тела выше номинальной и открытием клапана 15 на трубопроводе 14 с подачей части рабочего тела из напорного патрубка 5 за камерой сгорания 6 в периферийно-кольцевое сопло 10 двухступенчатого эжектора 8. При этом увеличивают разрежение в газоотводном патрубке 7, перепад давлений на турбине 2 и ее мощность, что выводит ротор 3 на предельную частоту вращения с фиксацией показаний приборов газовоздушного тракта.
В сравнении с — прототипом изобретение обеспечивает получение характеристик стенда при снятом роторе турбокомпрессора с движением воздуха в прямом и обратном направлениях; получение характеристик стенда при заторможенном роторе турбокомпрессора с движением воздуха в прямом и обратном направлениях; получение характеристик стенда на холостых ходах ротора испытуемого турбокомпрессора при одинаковом расходе воздуха через проточную часть турбокомпрессора и газовоздушиый тракт. Кроме того, повышается частота вращения ротора турбокомпрессора с парциальной или полиопроточной турбиной от номинальной до предельной при мощности пускового компрессора ниже испытуемого.
В результате изобретение позволяет расширить диапазон испытаний турбокомпрессора и снизить мощность пускового компрессора.
Предлагаемые способ и стенд испытаний турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания могут быть использованы на испытательных стендах машиностроительных и ремонтных заводов, исследовательских лабораторий НИИ и КБ.
Как указывалось выше, стенд был изготовлен в МГТУ. На нем производились испытания серийных роторов турбокомпрессоров ТК 23 двигателя 8NVD48 на рабочих частотах и до предельных частот (45 тыс. об/мин). При этом снимался полный спектр информации об АЧХ системы, свойствах его УДО, состоянии газовоздушного тракта, границах зоны устойчивой работы и т. п.
Стенд был использован также в научных целях, для сравнительных испытаний различных конструкторских разработок и в учебном процессе МГТУ.