СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ТУРБОКОМПРЕССОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к испытанию машин, в частности турбокомпрессоров наддува двигателей внутреннего сгорания, и может найти применение при испытании турбин и компрессоров в общем и энергетическом машиностроении.
Известен стенд для испытания турбокомпрессора наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, регулируемый источник газового потока, выполняемый в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, устройства измерения и управления, рекуперативный теплообменник, причем входная и выходная магистрали стенда соединены соответственно с компрессором и турбиной испытуемого турбокомпрессора, технологический компрессор соединен с входной и выходной магистралями, а рекуперативный теплообменник соединен первым контуром с выходом из турбины испытуемого турбокомпрессора, а вторым контуром с выходом технологического компрессора и входом в турбину. [RU 2145705 МПК 7 G 01 M 15/00 от 23.06.1986]
Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора непроизводительно затрачивается значительное количество энергии и не обеспечивается возможность имитации и воссоздания условий по структуре потока на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора.
Известен стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с испытуемым компрессором, регулируемый источник
газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, рекуперативный теплообменник, устройства измерения и управления. Стенд дополнительно оборудован регулируемым нагревателем, вторым рекуперативным теплообменником, теплообменником охладителем и регулируемым интерцептором, выполненным в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой через управляемые каналы, причем входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины испытуемого турбокомпрессора, выходная магистраль сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и технологического компрессора с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор, а выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью с установленной в ней первой управляемой задвижкой посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника и теплообменника-охладителя с входом регулируемого интерцептора, параллельно которым выполнена байпасная магистраль с установкой в ней второй управляемой задвижкой. [RU №2199727, МПК 7 G 01 M 15/00 от 27.02.03. БИ №6]
Недостатком этого стенда является то, что на испытание турбокомпрессора также непроизводительно затрачивается значительное количество энергии и не обеспечивается воспроизведение предпомпажных и помпажных режимов, связанных с уменьшением расхода воздуха через компрессор испытуемого турбокомпрессора.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Техническим результатом является снижение энергозатрат на испытание турбокомпрессора, а также обеспечение возможности имитации и воспроизведения предпомпажных и помпажных режимов, связанных с уменьшением расхода воздуха через компрессор испытуемого турбокомпрессора.
Технический результат достигается тем, что в стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, содержащий входную и выходную магистрали, соединенные с турбиной и компрессором испытуемого турбокомпрессора, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, регулируемый нагреватель, первый и второй рекуперативные теплообменники, регулируемый интерцептор, выполненный в виде корпуса с центральным каналом для прохода газа и расположенными по образующей корпуса сквозными отверстиями, соединенными с атмосферой, через управляемые клапаны, байпасную магистраль, первую и вторую управляемые задвижки, устройства управления и измерения, дополнительно установлены третий рекуперативный теплообменник и второй технологический компрессор с регулируемым приводом, третья и четвертая управляемые задвижки, вторая и третья байпасные магистрали, причем входная магистраль стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров третьего, второго и первого рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя с входом турбины испытуемого турбокомпрессора, выходная магистраль сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника и первого технологического компрессора с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора установлен
регулируемый интерцептор, выход турбины испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью с установленной в ней первой управляемой задвижкой посредством первых контуров первого и третьего рекуперативных теплообменников и соединена с выходом регулируемого интерцептора, параллельно которым выполнена первая байпасная магистраль, на которой установлена вторая управляемая задвижка, вход регулируемого интерцептора соединен со второй байпасной магистралью на которой установлена третья управляемая задвижка и второй технологический компрессор с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, а выход второго технологического компрессора соединен с его входом с помощью третьей байпасной магистрали, на которой установлена четвертая управляемая задвижка.
Воздух из атмосферы поступает во входную магистраль, проходит последовательно через вторые контуры третьего, второго и первого рекуперативных теплообменников, где подогреваются теплом отработавших газов, а затем дополнительно нагревается до необходимой температуры в регулируемом нагревателе. Подогретый воздух поступает на вход турбины испытуемого турбокомпрессора, расширяется в сопловых и рабочих лопатках турбины, совершает работу, а турбина приводит во вращение ротор турбокомпрессора. При расширении воздуха в турбине его температура и давление снижаются: давление становится ниже атмосферного, а температура остается достаточно высокой. После выхода из турбины воздух через открытую первую управляемую задвижку в соединительной магистрали при закрытой второй управляемой задвижке в первой байпасной магистрали поступает последовательно в первый контур первого рекуперативного теплообменника, где частично охлаждается в результате передачи тепла воздуху второго контура и в первый контур третьего рекуперативного теплообменника, где охлаждается до необходимой температуры, при закрытых третьей и четвертой
управляемых задвижках воздух поступает в через центральный канал регулируемого интерцептора на вход компрессора используемого турбокомпрессора, который вращаясь сжимает воздух. При этом давление и температура воздуха повышаются. Однако давление остается ниже атмосферного. Воздух далее поступает на вход технологического компрессора, где его давление и температура повышаются. В результате давление становиться выше атмосферного.
Нагретый в компрессорах воздух поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника, где передает тепло воздуху второго контура и отводится в атмосферу.
В результате рекуперации тепла и снижения давления воздуха в магистралях стенда в несколько раз снижаются энергозатраты на испытание турбокомпрессора.
При работе стенда без подвода тепла в регулируемом нагревателе воздух из атмосферы поступает во входную магистраль проходит через вторые контуры третьего, второго и первого рекуперативных теплообменников, где подогревается теплом отработавших газов, далее проходит через регулируемый нагреватель без подогрева и поступает на вход в турбину. В турбине воздух расширяется, совершает работу и приводит во вращение ротор турбокомпрессора, при расширении воздуха в турбине его температура и давление снижаются и становятся ниже, чем давление и температура атмосферного воздуха. После выхода из турбины воздух при открытой второй управляемой задвижке в байпасной магистрали и при закрытой первой управляемой задвижке в соединительной магистрали поступает через центральный канал регулируемого интерцептора на вход технологического компрессора, где его температура и давление дополнительно повышаются.
Нагретый в компрессорах воздух поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника, где передает тепло воздуху второго контура и отводится в атмосферу.
Сущность предмета изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана принципиальная схема стенда для испытания турбокомпрессора.
Стенд содержит технологический компрессор 1 с регулируемым приводом 2, испытуемый турбокомпрессор с компрессором 3 и турбиной 4, первый рекуперативный теплообменник 5, второй рекуперативный теплообменник 6, третий рекуперативный теплообменник 7, регулируемый нагреватель 8, регулируемый интерцептор 9, входную 10 и выходную 11 магистрали стенда, устройства измерения и управления (условно не показаны). Входная магистраль 10 стенда сообщена своим входом с атмосферой и соединена посредством вторых контуров третьего 7, второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников и регулируемого нагревателя 8 с входом турбины 4 испытуемого турбокомпрессора. Выходная магистраль 11 стенда сообщена своим выходом с атмосферой и соединена посредством первого контура второго рекуперативного теплообменника 6 и технологического компрессора 1 с выходом компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора. На входе в компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора установлен регулируемый интерцептор 9, а выход турбины 4 испытуемого турбокомпрессора сообщен соединительной магистралью 12 с установленной в ней первой управляемой задвижкой 13 посредством первого контура первого рекуперативного теплообменника 5 и первого контура третьего рекуперативного теплообменника 7 с входом регулируемого интерцептора 9. Параллельно первому контуру первого рекуперативного теплообменника 5 и третьего рекуперативного теплообменника 7 выполнена первая байпасная магистраль 14 с установленной в ней второй
управляемой задвижкой 15. Вход регулируемого интерцептора соединен посредством второй байпасной магистрали 16 с установленным в ней вторым технологическим компрессором 17 с регулируемым приводом 18 и установленной третьей управляемой задвижкой 19 с выходом компрессора испытуемого турбокомпрессора, а выход второго технологического компрессора 17 соединен со входом посредством третьей байпасной магистрали 20 с установленной в ней четвертой управляемой задвижкой 21.
К
К
ТК
ТК
ТК
ТК
К
К
Стенд работает в следующей последовательности. При запуске стенда включают регулируемый привод 2 на малую частоту вращения и приводят во вращение технологический компрессор 1. При этом воздух из атмосферы по входной магистрали 10, вторые контуры третьего 7, второго 6 и первого 5 рекуперативных теплообменников, регулируемый нагреватель 8, турбину 4 испытуемого турбокомпрессора, соединительную магистраль 12, открытую первую управляемую задвижку 13 (вторая управляемая задвижка 15 при этом закрыта), первый контур первого 5 и третьего 7 рекуперативных теплообменников, регулируемый интерцептор 9 и компрессор 3 испытуемого турбокомпрессора поступает на вход технологического компрессора 1. При этом давление Р и температура Т воздуха на входе в технологический компрессор понижаются из-за потерь давления в элементах газовоздушного тракта стенда и расширения на турбине. В технологическом компрессоре 1 воздух сжимается, в результате чего давление Р и температура Т на выходе из технологического компрессора 1 увеличиваются. Давление Р и температура Т на выходе из технологического компрессора 1 связаны с давлением Р и температурой Т на входе (на выходе из компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора) известными из термодинамики соотношениями:
ТК
К
ТК
Р=Р·π;
ТК
где π- степень повышения давления технологического компрессора 1 (является функцией частоты вращения); n - показатель политропы сжатия (для воздуха в адиабатном процессе сжатия n=К=1,4).
К
0
0
0
При запуске РК<Р0 и Т≈Т, где Р и Т - параметры атмосферного воздуха на входе во входную магистраль 10.
ТК
0
ТК
0
ТК
ТК
Т
Т
1
1
При этом на выходе из технологического компрессора 1 Р>Р, Т>Т. воздух с повышенным давлением Р и температурой Т после выхода из технологического компрессора 1 поступает в первый контур второго рекуперативного теплообменника 6 и через выходную магистраль 11 отводится в атмосферу. Одновременно с процессом сжатия воздуха в технологическом компрессоре 1 происходит расширение воздуха в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора. Параметры воздуха на входе в турбину давление Р и температура Т связаны параметрами воздуха на выходе из турбины P и Т известными из термодинамики соотношениями:
1
Т
Т
Р=Р/π
T
где π - степень понижения давления в турбине 4 испытуемого турбокомпрессора; n - показатель политропы расширения (для воздуха в адиабатном процессе расширения n=К=1,4).
Т
0
Т
0
На запуске Р≈Р,Т≈Т.
1
1
К
К
1
1
Воздух при расширении в турбине 4 совершает работу. Ротор турбокомпрессора приходит во вращение и поступающий на вход компрессора 3 воздух с параметрами P и T сжимается в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора до параметров Р и Т. При этом параметры воздуха на входе в компрессор 3 P и T и на выходе из
К
К
компрессора 3 Р и Т связаны между собой известными из термодинамики соотношениями:
1
Т
К
Р=Р·π
К
Т
Т
1
1
1
0
где π - степень повышения давления в компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора (зависит от частоты вращения); n - показатель политропы сжатия. Условно принято, что в технологическом компрессоре 1, компрессора 3 и турбине 4 испытуемого турбокомпрессорапоказатели политропы равны. По мере повышения частоты вращения ротора турбокомпрессора увеличивают частоту вращения регулируемого привода 2 и одновременно включают регулируемый подогреватель 8. Температура воздуха Т на входе в турбину 4 увеличивается, увеличивается степень понижения давления в турбине π и работа, совершаемая воздухом при расширении в турбине. Давление воздуха P на входе в компрессор 3 повышается, температура воздуха T на входе в компрессор 3 после отвода тепла в первом рекуперативном теплообменнике 5 и третьем рекуперативном теплообменнике охладителе 7 понижается, но остается выше температуры атмосферного воздуха (T>T).
К
К
К
К
0
В компрессоре 3 испытуемого турбокомпрессора воздух сжимается, давление Р и температура Т увеличиваются, но давление Р остается ниже давления окружающей среды (Р<Р).
К
К
ТК
0
ТК
0
В технологическом компрессоре 1 давление Ри температура Т повышаются, при этом Р>Р и Т>Т. после сжатия в технологическом компрессоре 1 отработавший воздух передает тепло воздуху, поступающему на вход турбины 4, во втором рекуперативном теплообменнике 6 и отводится через выходную магистраль 11 в атмосферу. Для изменения режима работы испытуемого турбокомпрессора
изменяют частоту вращения регулируемого привода 2 и количество теплоты, подводимое к воздуху в регулируемом нагревателе 8.
1
1
К
К
ТК
0
ТК
0
При работе стенда без подогрева воздуха в регулируемом нагревателе 8, закрывают первую управляемую задвижку 13 в соединительной магистрали 12 и открывают вторую управляемую задвижку 15 в байпасной магистрали 14. Включают регулируемый привод 2, технологического компрессора 1. При этом воздух из атмосферы через входную магистраль 10 поступает во второй контру третьего рекуперативного теплообменника 7, второй контру второго рекуперативного теплообменника 6, проходит через второй контур первого рекуперативного теплообменника 5, регулируемый нагреватель 8 без дополнительного нагрева и поступает на вход в турбину 4 испытуемого турбокомпрессора. В турбине 4 воздух расширяется, совершает работу и приводит во вращение ротор турбокомпрессора. Давление Р и температура T воздуха понижаются. После выхода из турбины 4 воздух по байпасной магистрали 14 с открытой второй управляемой задвижкой 15 через центральный канал регулируемого интерцептора 9 поступает на вход компрессора 3 испытуемого турбокомпрессора, где сжимается. Давление Р и температура Т повышаются. Воздух с этими параметрами поступает на вход технологического компрессора 1, где сжимается до давления Р>Р и температуры Т>Т. После сжатия в технологическом компрессоре 1 отработавший воздух во втором рекуперативном теплообменнике 6 отдает тепло воздуху, поступающему на вход турбины 4, и отводится через выходную магистраль 11 в атмосферу.
Для имитации и воспроизведения предпомпажных и помпажных режимов, связанных с уменьшением расхода воздуха через компрессор испытуемого турбокомпрессора открывают четвертую управляемую задвижку 21 в третьей байпасной магистрали 20, включают регулируемый привод 18 второго технологического компрессора 17 и плавно открывают
третью управляемую задвижку 19 во второй байпасной магистрали и прикрывая четвертую управляемую задвижку 21 перепускают воздух с входа компрессора 3 на выход устанавливают необходимый режим. Необходимый температурный режим на входе в компрессор испытуемого турбокомпрессора устанавливается с помощью первой и второй управляемых задвижек.
Такое выполнение стенда снижает энергозатраты на испытание турбокомпрессора за счет установки третьего рекуперативного теплообменника и обеспечивает возможность имитации и воспроизведения предпомпажных и помпажных режимов, связанных с уменьшением расхода воздуха за счет перепуска части воздуха с входа на выход компрессора испытуемого турбокомпрессора за счет установки второго технологического компрессора с регулируемым приводом и выполнения второй и третьей байпасных магистралей с третьей и четвертой управляемыми задвижками.
Предлагаемый стенд позволяет снизить затраты энергии и приблизить условия испытания турбокомпрессора по проверке основных параметров к реальным. Одновременно улучшаются условия труда на стенде, а также уменьшается загрязнение окружающей среды из-за рекуперации теплоты отработавших газов и использования теплоты окружающей среды.