СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ИСПЫТАНИЙ РЕГЕНЕРАТОРА ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Стенд для проведения исследовательских испытаний регенератора двигателя с внешним подводом теплоты.
Полезная модель относится к области энергомашиностроения, точнее к испытательным стендам теплообменной аппаратуры, в частности, к стендам для проведения исследовательских испытаний регенераторов двигателей с внешним подводом теплоты.
Известные из уровня техники стенды, предназначенные для испытаний различных видов теплообменной аппаратуры, имеют разнообразные конструктивные исполнения.
Так, стенд для испытаний теплообменников (SU №951063, 1982 г.) выполнен в виде подключенного к насосу рабочего участка с входным и выходным патрубками и опорами для размещения теплообменных труб, содержащего контрольно-измерительные приборы. Для обеспечения возможности проведения исследований теплообменников с различным числом теплообменных труб рабочий участок содержит несколько смежных секций.
В этом аналоге предусмотрена только проточная схема движения используемого рабочего тела и отсутствует возможность охлаждения и/или нагрева рабочего тела, вследствие чего его технологические возможности ограничены.
Известны стенды для проведения испытаний теплообменной аппаратуры, обеспечивающие проведение испытаний с расширенными диапазонами как по видам и типам теплообменной аппаратуры, так и по технологическим возможностям, например, стенд для испытания теплообменной аппаратуры по авторскому свидетельству SU №1652863, 1991 г., который является наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели и содержит закрытый газовый контур, устройство для обеспечения циркуляции в нем рабочего тела, узел заправки газового контура и измерительный комплекс с датчиками температуры и давления. В замкнутый воздушный контур последовательно установлены испытуемый и вспомогательный теплообменники.
Функциональное оснащение стенда в прототипе позволяет проводить разнообразные испытания для определения параметров теплообменников, в том числе, испытания теплообменной аппаратуры на работу в условиях запыленности воздуха. Для проведения испытаний радиаторов или охладителей в прототипе предусмотрена возможность подключения рабочего контура стенда к внешним трубопроводам с циркулирующим холодным и/или горячим рабочим телом (теплоносителем).
Однако, несмотря на замкнутый контур, схема циркуляции воздуха, выполняющего функцию рабочего тела, в прототипе однонаправленная, что следует отнести к его основному недостатку, в результате которого на этом стенде невозможно проведение исследовательских испытаний таких видов теплообменной аппаратура, как регенераторы, требующих использование схемы с возвратно-поступательной циркуляцией рабочего тела.
К тому же в прототипе отсутствует возможность отслеживания температурного режима внутри испытуемого теплообменного аппарата и возможность автоматизированного сбора и обработки данных, полученных от измерительного комплекса.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических средств в области проведения испытаний теплообменной аппаратуры за счет обеспечения расширенных исследовательских испытаний таких видов аппаратуры, как регенераторы двигателей с внешним подводом теплоты; повышения функциональной эффективности проведения испытаний путем проведения исследовательских работ для определения основных характеристик регенератора теплоты «безмоторным методом»; обеспечения автоматизированного сбора и обработки данных проводимых испытаний и возможности отслеживания температурного режима внутри испытуемого регенератора.
Технический результат заключается в реализации поставленной задачи.
Сущность полезной модели заключается в том, что в стенде для проведения исследовательских испытаний регенератора двигателя с внешним подводом теплоты, содержащем закрытый газовый контур, устройство для обеспечения циркуляции в нем рабочего тела, узел заправки газового контура и измерительный комплекс с датчиками температуры и давления, в отличие от аналогов, закрытый газовый контур включает в себя горячий контур с нагревателем рабочего тела и холодный контур с охладителем рабочего тела, устройство для обеспечения циркуляции рабочего тела выполнено в виде оснащенного регулируемым электроприводом поршневого компрессора двухстороннего действия, один цилиндр которого соединен с горячим контуром, а другой цилиндр - с холодным контуром, а измерительный комплекс дополнительно снабжен датчиками, предназначенными для определения текущего положения поршня компрессора и измерения частоты вращения вала компрессора, и датчиками для измерения температуры рабочего тела в насадке регенератора, чувствительный элемент которых расположен внутри регенератора вдоль его центральной оси, а также электронным блоком сбора и обработки сигналов, к которому подключены упомянутые датчики.
При этом охладитель рабочего тела в нем выполнен в виде спирального теплообменника, снабженного циркуляционным насосом и жидкостным радиатором, для отвода тепла.
Предлагаемое выполнение устройства для обеспечения циркуляции рабочего тела в совокупности с замкнутым газовым контуром, имеющим горячий и холодный контуры и достигнутой схемой возвратно-поступательного движения рабочего тела, обеспечивает возможность проведения исследовательских работ по определению основных характеристик регенераторов теплоты «безмоторным» методом, т.е. при отсутствии реального двигателя с внешним подводом теплоты во время испытаний, т.к. нагреватель и охладитель, включенные, соответственно, в состав горячего и холодного контуров имитируют работу такого двигателя.
Проведение стендовых испытаний регенераторов «безмоторным» методом, а именно: за счет обеспечения возвратно-поступательного движения рабочего тела, достаточного диапазона нагрева и охлаждения рабочего тела, протекающего через регенератор; оснащение стенда измерительной и регистрирующей аппаратурой, обеспечивающей замер и обработку необходимых параметров, и возможность отслеживания в ходе испытаний температурного режима внутри исследуемого объекта способствуют повышению эффективности исследований.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дана схема общего вида стенда; на фиг. 2 - регенератор с установленными в нем датчиками температуры (продольный разрез).
Предлагаемый стенд для проведения исследовательских испытаний регенератора двигателя с внешним подводом теплоты содержит закрытый газовый контур 1, устройство для обеспечения циркуляции рабочего тела, выполненное в виде поршневого компрессора двойного действия 2 с двумя цилиндрами 3 и 4 и регулируемым электроприводом 5, соединенного с валом 6 компрессора 2, и снабженного датчиком 7 положения поршня компрессора 2 и датчиком 8 частоты вращения вала 6 компрессора 2. Датчик 7 может быть, например оптический, а датчик 8 - индуктивный. Закрытый газовый контур 1, включает в себя горячий контур 9 с установленным в нем нагревателем 10 рабочего тела (например, электрическим) и холодный контур 11 с охладителем 12 рабочего тела, выполненным в виде спирального теплообменника 13, снабженного циркуляционным насосом 14 и жидкостным радиатором 15 для отвода тепла. При этом один из цилиндров компрессора 2 (на фиг. 1 - цилиндр 3) соединен с холодным контуром 11, а другой цилиндр - с горячим контуром 9.
Узел 16 заправки закрытого газового контура 1 включает в себя присоединительный фланец, газовый фильтр и запорный клапан. Стенд имеет измерительный комплекс, включающий в себя датчики давления 17 и 18 и датчики температуры 19 и 20 рабочего тела на входе и выходе регенератора 21, а также датчики температуры 22, 23 и 24, предназначенные для определения изменения температуры рабочего тела по длине насадки 25 регенератора 21, установленного между горячим 9 и холодным 11 контурами с помощью фланцев 26 и 27. Каждый из датчиков 22, 23 и 24 установлен в держателе 28, вкрученном в корпус держателей 29, и зафиксирован гайкой 30, а чувствительные элементы датчиков расположены внутри насадки 25 регенератора 21 вдоль его центральной оси (фиг.2). Все перечисленные выше датчики, в том числе и датчики 7 и 8, подключены к электронному блоку сбора и обработки сигналов 31, которым снабжен измерительный комплекс.
Оснащение стенда в зависимости от проводимых испытаний позволяет варьировать параметры:
- температуру рабочего тела в горячем 9 и холодном 11 контурах;
- давление рабочего тела в закрытом газовом контуре;
- частоту вращения вала 6 компрессора 2 с помощью регулируемого электропривода 5.
Изменением этих параметров обеспечивается проведение испытаний регенераторов на различных скоростных режимах, давлениях и температурах рабочего тела, что позволяет моделировать разнообразные условия работы регенератора на реальном двигателе с внешним подводом теплоты.
Перед началом испытаний регенератор 21 с помощью фланцев 26 и 27 устанавливается между горячим 9 и холодным 11 контурами. После установки регенератора 21 образуется закрытый газовый контур, в который через узел заправки закрытого газового контура 16 подается необходимое количество рабочего тела, например гелия или азота. Давление рабочего тела контролируется датчиками давления 17 или 18.
Затем включается нагреватель 10 для увеличения температуры рабочего тела в горячем контуре 9 до значения, требуемого технологией испытания. С помощью охладителя 12 температура рабочего тела в холодном контуре 11 поддерживается на постоянном уровне или изменяется в необходимом диапазоне. В зависимости от объема системы охлаждения охладитель может включать в свой состав расширительный бачок (на чертеже не показан). Значения температур рабочего тела в горячем 9 и холодном 11 контурах определяются задачами, поставленными перед каждыми испытаниями.
Для циркуляции рабочего тела по закрытому газовому контуру стенда во время проведения испытаний включается компрессор 2. Регулируемый электропривод 5 вращает вал 6 компрессора 2, в результате чего поршни цилиндров 3 и 4 движутся в противофазе. При этом при движении поршня цилиндра 4 из нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), совершаемом за поворот вала 6 компрессора 2 от 0° до 180°, часть рабочего тела, находящегося в горячем контуре, перетекает через регенератор 21 в холодный контур 11. При этом поршень цилиндра 3, кинематически связанный валом 6 с поршнем цилиндра 4, перемещается из ВМТ к НМТ.
При повороте вала 6 компрессора 2 в интервале от 180° до 360° поршень цилиндра 3 движется из НМТ к ВМТ и вытесняет некоторый объем рабочего тела из холодного контура 11 в горячий контур 9 и рабочее тело снова проходит через насадку 25 регенератора 21.
Таким образом, за один полный оборот вала 6 компрессора 2 рабочее тело дважды проходит через насадку 25 регенератора 21, а движение рабочего тела носит возвратно-поступательный характер.
При движении рабочего тела из горячего контура 9 в холодный контур 11 происходит охлаждение рабочего тела за счет поглощения его тепла насадкой 25 регенератора 21. При этом тепловая энергия аккумулируется в насадке 25 регенератора 21. При обратном течении рабочего тела - из холодного контура 11 в горячий контур 9 - происходит нагрев рабочего тела посредством передачи тепловой энергии, накопленной насадкой 25 регенератора 21 в предыдущем цикле.
Все изменения параметров рабочего тела перед регенератором 21 и внутри насадки 25 регенератора 21 определяется измерительным комплексом стенда и записывается электронным блоком сбора и обработки сигналов 31, к которому подведены сигнальные провода датчиков измерительного комплекса. Данные, получаемые с датчика 7, используются для обработки получаемых экспериментальных данных. Датчик 8 необходим для управления скоростным режимом работы стенда во время проведения испытаний регенератора 21 при различных значениях частоты вращения вала 6 компрессора 2, изменяемых с помощью регулируемого электропривода 5.
На стенде проводятся испытания регенератора 21 при различных давлениях рабочего тела, температурах рабочего тела в горячем 9 и холодном 11 контуре и частотах вращения вала 6 компрессора 2. Во время испытаний определяются следующие параметры регенератора 21:
- эффективность регенератора 21
Данный параметр является расчетной величиной и определяется с использованием показаний датчиков 19 и 20, измеряющих температуру рабочего тела на входе и выходе из регенератора 21. Эффективность регенератора 21 представляет собой отношение количества теплоты, переданного насадке 25 регенератора 21, к теоретическому количеству теплоты, которое может аккумулировать насадка 25 при идеальной теплопередаче.
- аэродинамическое сопротивление насадки 25 регенератора 21
Определяется с помощью данных, полученных с датчиков давления 17 и 18. Мгновенное аэродинамическое сопротивление насадки 25 регенератора 21 вычисляется вычитанием меньшего значения из большего.
- распределение температуры рабочего тела по длине насадки 25 регенератора 21
Для определения этого параметра используются датчики 22, 23 и 24, установленные в центре насадки 25 регенератора 21 с заданным интервалом. Данные, полученные с датчиков температуры 22, 23 и 24, используются для определения скорости охлаждения и нагрева рабочего тела при прохождении через регенератор 21. Полученные значения необходимы для оценки работы насадок регенератора, определения характера влияния пористости и формы ячеек насадки 25.