METHOD OF TESTING SMALL-SIZED TURBINES AND TEST BENCH FOR ITS IMPLEMENTATION
Способ испытаний малоразмерных турбин и испытательный стенд для его реализации

Изобретение относится к энергетике, в частности к способам испытаний турбин.
При создании и модернизации турбин, для улучшения их качеств, а именно повышения коэффициента полезного действия, увеличения производительности, снижения шума, расширения диапазона устойчивой работы, помимо выполнения газодинамических расчетов, необходимо проведение исследований структуры течения рабочего тела для различных вариантов проточных частей проектируемых турбин. Испытания турбин дорогостоящий процесс. Необходимо иметь сложный экспериментальный стенд. Для привода турбины требуется затраты энергии и устройство, поглощающее большую мощность (Экспериментальное определение характеристик малоразмерных лопаточных машин: учебное пособие/сост. О.В. Батурин и др. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2006, стр. 67, рис. 3.11, стр. 85, рис. 3.4). Одним из способов уменьшения энергии привода и мощности поглощающего устройства является проведение испытаний в модельных условиях. В практике испытаний лопаточных машин (компрессоров и турбин, в том числе малоразмерных) широко применяют модельные испытания. При модельных условиях для получения достоверных характеристик необходимо обеспечить геометрическое и кинематическое подобие натуры и модели и равенство следующих критериев (Теория лопаточных машин авиационных газотурбинных двигателей жидкостных ракетных двигателей: Курс лекций / Н.Т. Тихонов, Н.Ф. Мусаткин, В.Н. Матвеев - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2001, стр. 73, 131):
где М и Re, соответственно критерии Маха и Рейнольдса, а индексы «н» и «м» обозначают натурные и модельные условия.
В рассматриваемой практике исследований дорогостоящей является также подготовка испытаний. Испытываемую турбину необходимо изготовить, адаптировать к испытательному стенду и оснастить измерительными датчиками. Для турбин применяют уникальные труднообрабатываемые сплавы. Технологический цикл изготовления заготовок для ответственных деталей характеризуется достаточно длительными промежутками времени. Причина этому - экстремальные условия работы, особенно деталей ротора. Для совершения рабочего процесса в современных лопаточных машинах требуются высокие окружные скорости. Эти высокие окружные скорости (при условии еще и высоких температур) вызывают в деталях ротора турбин такие большие напряжения от центробежных сил, что их могут выдержать только сплавы с уникальными свойствами. Затраты по времени и стоимость подготовки экспериментов значительно возрастают при проведении многовариантных исследований.
Известны также способы проектирования новых и модернизации турбин, включающие изготовление опытных моделей с использованием современной аддитивной технологии - лазерной стереолитографии (SLA), либо традиционного пятикоординатного фрезерования легкообрабатываемых сплавов, типа алюминия. Аддитивный способ, как и фрезерный, включает построение графических трехмерных моделей турбины, дальнейшее изготовление по ним опытных моделей (из легкообрабатываемого материала или SLA-моделей), продувка этих моделей на экспериментальном стенде с ограничением по температуре рабочего тела и частоты вращения ротора до уровней работоспособности материала изготовления моделей. Так, для опытных моделей из алюминия эквивалентные напряжения в деталях не должны превышать 40 МПа при температуре 530…570 К, как и для SLA-моделей при 380…410 К (Исследование применимости технологии лазерной стереолитографии для изготовления турбоприводов/Л.С. Шаблий // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева. - 2011. - №2. - С. 200-205). Это требование ограничивает возможную область исследования рабочих режимов турбины.
Известен способ испытаний малоразмерных лопаточных турбомашин и испытательный стенд для его реализации (патент РФ №2634341 МПК G01M 15/14, опубликован 25.10.2017, бюл. №30), выбранный в качестве прототипа. Известный стенд для испытаний лопаточных турбомашин содержит технологическую магистраль, соединенную с испытуемым турбокомпрессором, регулируемый источник газового потока, выполненный в виде технологического компрессора с регулируемым приводом, криогенный теплообменник, технологическую турбину и клапана, один из которых регулируемый, установлен на входе атмосферы в технологическую магистраль стенда, которая последовательно соединяет атмосферу через регулируемый клапан с пневматическим входом технологического компрессора, пневматический выход из которого с пневматическим входом в технологическую турбину и выхлоп последней с атмосферой, а проточная часть испытуемого турбокомпрессора (компрессора и турбины) включена в замкнутый контур, в котором выхлоп турбины соединен с пневматическим входом в компрессор через криогенный теплообменник, затем, пневматический выход компрессора с пневматическим входом в турбину и через клапан с входом в технологический компрессор. Кроме того, ротор технологической турбины имеет кинематическое соединение с ротором испытуемых турбины и компрессора. И еще, криогенный теплообменник заполняется жидким азотом. Указанный стенд обеспечивает модельные газодинамические испытания макетов турбин, изготавливаемых с помощью аддитивных технологий, во всем диапазоне рабочих режимов натурной турбины при выполнении условий:
,
и
н
и
н
и
н
где Т - характерная температура газодинамического процесса при испытаниях; Т - соответствующая температура в натурных условиях работы; σ - определяющая прочностная характеристика материала модели; σ - соответствующая определяющая прочностная характеристика материала критичных натурных деталей лопаточной машины; ρ - плотность материала модели; ρ - плотность материала критичных натурных деталей лопаточной машины.
Однако, известный стенд обладает сложными кинематическими связями - наличие дополнительной технологической турбины, а испытания турбины характеризуются большими затратами жидкого азота и потерями энергии в газодинамическом приводе технологической турбины и компрессора. Предотвращение обмерзания трубопроводов требует дополнительных затрат на осушку воздуха. Все это ведет к увеличению сроков и стоимости подготовки и проведения испытаний турбины.
Задачей данного изобретения является упрощение конструкции, а также сокращение затрат на подготовку и проведение многовариантных исследований турбин, с реализацией на испытаниях полного диапазона интересуемых режимов в модельных условиях.
Технический результат заключается в исключении вероятности обмерзания магистралей и, как следствие, получение более достоверных характеристик.
Указанный технический результат достигается в способе газодинамических испытаний малоразмерных турбин. Способ включает в себя изготовление одного или нескольких альтернативных вариантов испытываемой турбины, поочередную установку их на испытательном стенде, создание эквивалентных натурным условий работы - характерного давления по критериям Маха и Рейнольдса исходя из условий:
н
м
М=М;
н
м
Re=Re;
где М и Re, соответственно критерии Маха и Рейнольдса, а индексы «н» и «м» обозначают натурные и модельные условия.
Способ также включает измерение газодинамических параметров, обработку и анализ результатов измерений. Турбины изготавливают с помощью аддитивных технологий (AF-технологий), а их работоспособность обеспечивают уменьшением характерной температуры рабочего процесса в соответствии с зависимостью:
и
н
и
н
н
и
Т/Т≤(σ×ρ)/(σ×ρ);
и
н
и
н
и
н
где Т - характерная температура газодинамического процесса при испытаниях; Т - соответствующая температура в натурных условиях работы; σ - определяющая прочностная характеристика материала модели; σ - соответствующая определяющая прочностная характеристика материала критичных натурных деталей турбины; ρ - плотность материала модели; ρ - плотность материала критичных натурных деталей турбины.
При этом, создание эквивалентных натурным условий работы включает в себя откачивание воздуха из замкнутого контура с помощью технологического компрессора, установленного в замкнутом контуре между выходом нагрузочного компрессора и входом в испытуемую турбину, и охлаждение воздуха, поступающего в турбину, с помощью теплообменника, при этом поддержание теплового режима работы турбины обеспечивается регулированием количества прокачиваемого хладагента через теплообменник.
Регулирование частоты вращения ротора турбины осуществляется регулированием технологического компрессора с помощью регулируемого привода и прокачки хладагента через теплообменник.
Хладагентом, прокачиваемым через теплообменник, может являться вода.
Температура воздуха на выходе из испытуемой турбины может поддерживаться в пределах от 274 до 288 К.
Указанный технический результат достигается также за счет стенда для испытаний малоразмерных турбин, который обеспечивает осуществление описанного выше способа. Стенд содержит технологический компрессор с регулируемым приводом, откачивающую магистраль, замкнутую пневматическую магистраль, с установленными в ней нагрузочным компрессором, испытуемой турбиной и теплообменником. При этом, технологический компрессор расположен в замкнутой пневматической магистрали, а его вход соединен с выходом нагрузочного компрессора. Один из выходов технологического компрессора соединен со входом испытуемой турбины через теплообменник, а другой выход технологического компрессора соединен через откачивающую магистраль с атмосферой.
Технологический компрессор может быть выполнен с возможностью обеспечения давления в замкнутой магистрали перед началом испытаний исходя из условий:
н
м
М=М;
н
м
Re=Re;
где М и Re, соответственно критерии Маха и Рейнольдса, а индексы «н» и «м» обозначают натурные и модельные условия.
и
н
и
н
н
и
Т/Т≤(σ×ρ)/(σ×ρ);
и
н
и
н
и
н
где Т - характерная температура газодинамического процесса при испытаниях; Т - соответствующая температура в натурных условиях работы; σ - определяющая прочностная характеристика материала модели; σ - соответствующая определяющая прочностная характеристика материала критичных натурных деталей турбины; ρ - плотность материала модели; ρ - плотность материала критичных натурных деталей турбины.
Теплообменник может быть выполнен с возможностью поддержания температуры на выходе из испытуемой турбины в пределах от 274 до 288 К.
На представленной фигуре показана принципиальная схема испытательного стенда малоразмерных турбин.
Основными элементами испытательного стенда являются технологический компрессор 1 с регулируемым приводом 2, нагрузочный компрессор 3, теплообменник 4, трубопровод замкнутой пневматической магистрали 5 и испытуемая турбина 6. На принципиальной схеме стрелками указаны направления движения потоков, трубопровод (магистраль) 7 на выходе из турбины 6, а имеющиеся устройства измерения и управления не показаны.
При этом, замкнутая пневматическая магистраль 5 соединяет вход нагрузочного компрессора 3 с выходом испытуемой турбины 6, выход нагрузочного компрессора 3 с входом в технологический компрессор 1, а выход технологического компрессора 1 с входом в испытуемую турбину 6 через теплообменник 4. Кроме того, теплообменник подключен к источнику воды. Для вращения ротора технологического компрессора 1 он соединен с регулируемым приводом 2.
Газодинамические исследования на заявляемом испытательном стенде по заявляемому способу осуществляются следующим образом. Изготовленные фрезерованием из легкообрабатываемого материала или с помощью AF-технологий для испытаний модели вариантов турбины 6 устанавливаются в замкнутый контур пневматической магистрали 5 испытательного стенда. Ротор испытуемых турбин 6 кинематически соединяют с ротором нагрузочного компрессора 3.
С помощью технологического компрессора 1 через откачивающую магистраль (не показана) производиться откачка воздуха из замкнутой магистрали 5. После установки необходимого давления (откачки) в контуре 5 из условий проведения модельных испытаний с соблюдением критериев (1), (2), и условий (3), при раскрутке турбины 6 и компрессора 3, с помощью прокачки хладагента (например, охлаждающей воды) через теплообменник 4, обеспечивается температура воздуха на выходе из турбины 6 в пределах от 274 до 288 К. Вращение ротора турбины 6 обеспечивается за счет работы технологического компрессора 1, а регулирование частоты вращения ротора турбины 6 осуществляется за счет изменения частоты вращения технологического компрессора 1 регулируемым приводом 2. При установке частоты вращения ротора турбины 6 также регулируется количество прокачиваемого хладагента через теплообменник 1 для поддержания необходимого теплового режима на выходе из турбины 6.
Выбранный интервал температур от 274 до 288 К за турбиной 6 гарантирует отсутствие эффекта обмерзания трубопровода 7 из-за наличия влаги в рабочем теле - воздухе, что обеспечивает достоверность замеряемых параметров рабочего тела. Включение технологического компрессора 1 в замкнутый контур 5, как и исключение криогенного теплообменника с технологической турбиной снижает затраты на подготовку и проведение испытаний.
Так, например, предполагается, что будет испытываться турбина условного ГТД со следующими параметрами:
- номинальный расход газа через турбину условного ГТД (Gy) - 1 кг/с;
3
- номинальная температура газа перед турбиной условного ГТД (Ty) - 1200 К;
4
- полная температура газа за турбиной условного ГТД (Ty) - 796 К;
3
- номинальное полное давление перед турбиной условного ГТД (Py) - 720 кПа;
4
- полное давление газа за турбиной условного ГТД (Py) - 109,09 кПа;
т
- номинальная степень понижения полного давления в турбине (π) - 6,6;
т
- номинальный адиабатический КПД турбины (η) - 0,9;
- номинальная частота вращения n=72000 об/мин;
y3
- показатель адиабаты газа (T=1200 К) k=1,33;
4
На режиме эквивалентном номинальному будут следующие параметры: 1. Температуру воздуха на выходе из испытываемой турбины Т предполагается поддерживать не ниже 275 К, исходя из требования отсутствия выпадения твердой фазы влаги (воды) из воздуха - рабочего тела стенда. Таким образом, модельная температура воздуха за испытываемой турбиной в 2,895 раза меньше температуры газа за условной турбиной. Если пренебречь различием в газовых постоянных газа в условной турбине и воздуха, используемого в качестве рабочего тела при испытаниях, тогда для из условия подобия по критерию Маха, скорость воздуха должна быть в 1,7 раза меньше скорости газа.
4
Тогда условию подобия по критерию Рейнольдса будет соответствовать давление воздуха на выходе из испытываемой турбины Р=27,6 кПа:
н
м
Re=Re;
где
- скорость звука в среде:
- кинематическая вязкость:
где
y4
- динамическая вязкость газа (T=796 К) μ=37 МПа⋅с;
4
- динамическая вязкость воздуха (Т=275 К) μ=17,2 МПа⋅с;
При подстановке уравнений (2), (3), (4), (5), уравнение (1) принимает вид:
;
С учетом уравнения Клайперона-Менделеева
;
.
кΣ
т
Номинальная суммарная (общая) степень повышения давления в технологических компрессорах (нагрузочном и технологическом) π=7,5, исходя из π=6,6 и необходимости компенсации потерь давления в теплообменнике-холодильнике, трубопроводах и патрубках стенда.
1.2. Расход воздуха G=0,46 кг/с - из условия подобия по расходу , где Т - температура адиабатно заторможенного газа (К), Р - давление адиабатно заторможенного газа (Па). Параметры Т и Р здесь рассматриваются в произвольных, но соответствующих точках газового тракта.
т
1.3. Частота вращения испытуемой турбины n=42353 об/мин, из соотношений скоростей по критерию геометрического подобия.
1.4. Параметры на входе в турбину:
3
- полное давление Р=182,5 кПа:
3
4
т
Р=P⋅π;
3
- полная температура Т=412 К в соответствии с уравнением политропического расширения
,
где
- показатель адиабаты воздуха (Т3=412 К) k=1,403;
т
- степень расширения π=6,6;
т
- адиабатический КПД турбины η=0,9;
Откуда:
Т
- перепад температуры (при КПД процесса 0,9) ΔТ=137 К;
Т
- мощность N=65,5 кВт из
T
p
T
N=GcΔT,
где
р
- удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении с=1,04 кДж/кгК;
2. Параметры нагрузочного компрессора 3:
- расход воздуха G=0,46 кг/с;
к
т
- потребляемая мощность - N=N=65,5 кВт;
к31
4
- полная температура воздуха на входе - T=Т=275 К
к3
- перепад температуры (повышение температуры в компрессоре) ΔТ=137 К К из
к3
к3
p
ΔТ=N/Gc;
к32
- полная температура воздуха на выходе Т=412 К из
к32
к31
к3
Т-Т+ΔТ.
к2
- степень повышения давления π=3,22 в соответствии с уравнением политропического сжатия
,
где
к31
- показатель адиабаты воздуха (T=275 К) k=1,403;
к
- адиабатический КПД компрессора η=0,8.
3. Параметры технологического компрессора 1:
- расход воздуха G=0,46 кг/с;
к11
к32
- полная температура воздуха на входе - Т=Т2=412 К
к1
- степень повышения давления π=2,33 из
к1
кΣ
к2
π=π/π
к12
- полная температура воздуха на выходе T=553,5 К, в соответствии с уравнением политропического сжатия
где
к11
- показатель адиабаты воздуха (T=412 К) k=1,403;
к1
- перепад температуры (повышение температуры в компрессоре) ΔT=141,5 К из
к1
к12
к11
ΔТ=Т-Т;
к1
- потребляемая мощность N=67,7 кВт из
пр
p
к1
N=GcΔT;
4. Параметры теплообменника:
ох1
к12
- полная температура на входе T=T=553,5 К;
ох2
3
- полная температура на выходе Т=Т=412 К;
- расход воздуха G=0,46 кг/с;
ох
- перепад температуры ΔТ=141,5 К;
ох
p
ох
- мощность охлаждения N=GcΔT=67,7 кВт;
- расход охладителя (воды)
ox
рв
охв
3
G=N/сΔТ=0,4…0,32 кг/с (~ 1,3 м/ч),
где
рв
- теплоемкость воды с=4,18 кДж/кгК;
охв
- подогреве воды ΔТ=40…50 К;
Анализ предложенного технического решения с прототипом и аналогами показал, что предложенные технические решения отличаются наличием нового, в способе - создание эквивалентных натурным условий работы включает в себя откачкивание воздуха из замкнутого контура с помощью технологического компрессора, установленного в замкнутом контуре между выходом нагрузочного компрессора и входом в испытуемую турбину, и охлаждение воздуха, поступающего в турбину, с помощью теплообменника, установленного перед входом в турбину за счет теплообмена с хладагентом, прокачиваемым через теплообменник, а регулирование частоты вращения ротора турбины осуществляется регулированием технологического компрессора с помощью регулируемого привода, при этом поддержание теплового режима работы турбины обеспечивается регулированием количества прокачиваемого хладагента через теплообменник. В устройстве - технологический компрессор расположен в замкнутой пневматической магистрали, при этом вход технологического компрессора соединен с выходом нагрузочного компрессора, а один из выходов технологического компрессора соединен со входом испытуемой турбины через теплообменник, другой выход технологического компрессора соединен через откачивающую магистраль с атмосферой. Это доказывает соответствие предложенных способа и стенда критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Поддержание на испытательном стенде, при создании модельных условий газодинамического процесса, характерных параметров рабочего тела: давления - по критерию Рейнольдса и температуры за турбиной заданных пределах - от 274 до 288 К, обеспечивает работоспособность модели турбины, изготовленной фрезерованием из легкообрабатываемого материала или с помощью AF-технологий, во всем диапазоне моделируемых рабочих режимов. Использование при испытаниях вместо натурных турбин их экспериментальных моделей, изготовленных фрезерованием из легкообрабатываемого материала или с помощью AF-технологий, сокращает затраты на подготовку эксперимента, позволяет в короткий промежуток времени подготовить и провести большую серию испытаний различных вариантов и модификаций турбин, что повышает качество проводимых работ, получением более достоверных характеристик.
В сравнении с известными устройствами, заявляемые способ и устройство обеспечивают исключение вероятности обмерзания магистралей и, как следствие, получение более достоверных характеристик.