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.