УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА ТУРБИНЫ ТУРБОКОМПРЕССОРА, ИСПЫТЫВАЕМОГО НА СТЕНДЕ

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к средствам для испытания турбокомпрессоров, машин и двигателей, в частности, к агрегатированию турбин с двигателями, приводимыми ими в действие.
Известно устройство для запуска турбины турбокомпрессора /ТКР / на испытательном стенде (RU 89617 U1, 10.12.2009), содержащее систему «горячего» запуска турбины и систему «холодного» запуска турбины, а также распределительный узел переключения систем «горячего» и «холодного» запусков турбины, снабженный управляемыми перепускными клапанами с регулируемыми поворотными заслонками, при этом система «горячего» запуска турбины, включает камеру сгорания для сжигания углеводородного топлива, размещенную перед входным патрубком турбины ТКР в ветви обводного воздухоподающего патрубка, сообщающего напорный патрубок компрессора испытываемого ТКР с входным патрубком его турбины, жестко связанную с обоих торцов с указанной ветвью обводного воздухоподающего патрубка. Камера сгорания снабжена одной топливной форсункой с регулятором расхода топлива, подключенной к топливной системе, и свечой зажигания, подключенной к системе зажигания. Система «холодного» запуска выполнена с возможностью раскрутки турбины ТКР воздушным потоком от стороннего компрессора, подключенного выходным напорным патрубком ко входному патрубку турбины ТКР перед камерой сгорания посредством ветви обводного воздухоподающего патрубка, содержащей последнюю. При этом каждая ветвь обводного патрубка снабжена термокомпенсатором и по меньшей мере одним управляемым перепускным клапаном с регулируемой поворотной заслонкой, а ветвь, содержащая камеру сгорания, дополнительно снабжена байпасным воздухоподающим трубопроводом, сообщенным с этой ветвью обводного патрубка входным торцом, размещенным до клапана, установленного в ней, и выходным торцом, размещенным после указанного клапана, перед камерой сгорания, считая по ходу движения потока воздуха. Байпасный воздухоподающий трубопровод дополнительно снабжен управляемым клапаном.
Указанное известное устройство благодаря наличию байпасного воздухоподающего трубопровода, сообщенного своими противоположными торцами с ветвью обводного патрубка, включающей камеру сгорания, и дополнительно снабженного управляемым клапаном позволяет осуществлять плавное регулирование расхода воздуха, поступающего в камеру сгорания. Однако в начальный период запуска турбокомпрессоров на испытательном стенде и при малых расходах воздуха имеет место недостаточная устойчивость запуска турбокомпрессоров.
Кроме того выходной торец байпасного трубопровода заканчивается только при сопряжении с поверхностью ветви обводного патрубка, содержащей камеру сгорания, и далее воздушный поток поступает в указанную ветвь, большего диаметра по сравнению с байпасным трубопроводом, поэтому скорость воздушного потока в зоне расположения топливной форсунки заметно снижается, не позволяя осуществить надежное воспламенение топливной смеси, а, следовательно, и устойчивый запуск стенда при испытании турбокомпрессоров на разных рабочих режимах. Этому способствует также и отсутствие оптимального соотношения диаметра байпасного трубопровода и диаметра ветви обводного патрубка, содержащей камеру сгорания.
Техническим результатом предложения является повышение устойчивости запуска испытываемых турбокомпрессоров, особенно в начальный период запуска стенда и при малых расходах воздуха.
Технический результат достигается тем, что устройство для запуска турбины турбокомпрессора, испытываемого на стенде, содержит систему «горячего» запуска, систему «холодного» запуска и распределительный узел переключения систем «горячего» и «холодного» запусков, снабженный управляемыми перепускными клапанами с регулируемыми поворотными заслонками, при этом система «горячего» запуска, включает камеру сгорания для сжигания углеводородного топлива, размещенную перед входным патрубком турбины ТКР в ветви обводного воздухоподающего патрубка, сообщающего напорный патрубок компрессора испытываемого ТКР с входным патрубком его турбины, жестко связанную с обоих торцов с указанной ветвью обводного воздухоподающего патрубка и снабженную по меньшей мере одной топливной форсункой с регулятором расхода топлива, подключенной к топливной системе, и свечой зажигания, подключенной к системе зажигания, система «холодного» запуска, выполнена с возможностью раскрутки турбины ТКР воздушным потоком от своего компрессора, и включает сторонний компрессор, подключенный выходным напорным патрубком ко входному патрубку турбины ТКР перед камерой сгорания посредством ветви обводного воздухоподающего патрубка, содержащей последнюю, при этом каждая ветвь обводного патрубка снабжена термокомпенсатором и по меньшей мере одним управляемым перепускным клапаном с регулируемой поворотной заслонкой, а ветвь, содержащая камеру сгорания, снабжена байпасным воздухоподающим трубопроводом, сообщенным с этой ветвью обводного патрубка входным торцом, размещенным до клапана, установленного в ней, и выходным торцом, размещенным после указанного клапана, со стороны камеры сгорания и снабжена в байпасном воздухоподающем трубопроводе дополнительным управляемым клапаном. Кроме того в предлагаемом устройстве выходной торец байпасного воздухоподающего трубопровода со стороны камеры сгорания снабжен насадкой, выполненной в виде конфузора, ориентированного в направлении камеры сгорания и размещенного внутри этой ветви обводного воздухоподающего патрубка, соосно с ней и жестко закрепленного непосредственно перед камерой сгорания, система «горячего» запуска снабжена индикатором и детектором пламени, а дополнительный управляемый клапан, размещенный в байпасном воздухоподающем трубопроводе, выполнен шаровым с электроуправляемым автономным приводом, при этом топливная форсунка и свеча зажигания размещены в одной плоскости, проходящей через центральную часть камеры сгорания, свеча зажигания размещена в этой плоскости ниже топливной форсунки, а топливная форсунка наклонена под углом к оси камеры сгорания и жесткая связь камеры сгорания с обводным воздухоподающим патрубком выполнена посредством фланцевого болтового соединения. Диаметр байпасного воздухоподающего трубопровода может быть выполнен, предпочтительно, равным (0,1-0,15) от диаметра ветви обводного воздухоподающего патрубка, в которой этот байпасный воздухоподающий трубопровод установлен.
Технический результат предложенного технического решения достигается только в пределах указанного выше соотношения, что подтверждено проведенными экспериментами.
Насадка байпасного воздухоподающего трубопровода может быть выполнена сменной.
В качестве стороннего компрессора может быть взят компрессор с производительностью, предпочтительно, равной 8-10 м.3/ мин. Технический результат предложенного технического решения достигается только в пределах указанного выше диапазона, что подтверждено проведенными экспериментами.
Сущность предлагаемого устройства поясняется графически.
На фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства.
На фиг. 2 укрупненно представлен узел ввода конфузора выходного торца байпасного воздухоподающего трубопровода во внутрь ветви этого обводного воздухоподающего непосредственно перед камерой сгорания, считая по направлению движения воздушного потока в этой ветви.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез через камеру сгорания в зоне расположения топливной форсунки и свечи зажигания/вид по Б-Б/.
Представленное на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 устройство для запуска турбины турбокомпрессора /ТКР/ на испытательном стенде является частью испытательного стенда турбокомпрессоров и содержит систему «горячего» запуска турбины 1 испытываемого на стенде турбокомпрессора 2, включающую камеру 3 сгорания ветвь 4 обводного воздухораспределительного патрубка, посредством которой входной патрубок 5 турбины 1 ТКР 2 сообщен со сторонним компрессором 6, в качестве которого взят компрессор с производительностью, предпочтительно, равной 8-10 м.3/ мин., и систему «холодного» запуска турбины 1 ТКР 2, включающую ветвь 7 обводного воздухораспределительного патрубка, посредством которой входной патрубок 5 турбины ТКР 2 сообщен с компрессором 8 испытуемого ТКР 2, и распределительный узел 9 переключения систем «горячего» и «холодного» запусков турбины, благодаря которому осуществлено сообщение каждой из указанных систем посредством ветви 4 или ветви 7 с входным патрубком 5 турбины 1 ТКР 2 соответственно.
Распределительный узел 9 переключения сообщен с выходным напорным патрубком 10 стороннего компрессора 6 и с обеими ветвями 4 и 7 обводного воздухораспределительного патрубка, причем в зоне сообщения с указанными узел снабжен управляемыми перепускными клапанами 11 с регулируемыми поворотными заслонками /не показаны /. В выходном напорном патрубке 10 стороннего компрессора 6 и в ветвях 4 и 7 обводного воздухоподающего патрубка также могут быть установлены управляемые перепускные клапаны 10 с регулируемыми поворотными заслонками.
Камера 3 сгорания для сжигания углеводородного топлива размещена в ветви 4 обводного воздухоподающего патрубка перед входным патрубком 5 турбины 1 ТКР 2 и жестко связана с обоих ее торцов с указанной ветвью 4 обводного воздухоподающего патрубка посредством фланцевого болтового соединения 12. Камера 3 сгорания снабжена по меньшей мере одной топливной форсункой 13 с регулятором расхода топлива / не показан/, подключенной к топливной системе/не показана /, и свечой 14 зажигания, подключенной к системе зажигания/ не показана /.
Топливная форсунка 13 и свеча 14 зажигания размещены в одной плоскости, проходящей через центральную часть камеры 3 сгорания, причем свеча 14 зажигания размещена в этой плоскости ниже топливной форсунки 13, а топливная форсунка 13 наклонена под углом к оси 15 камеры 3 сгорания. Камера 3 сгорания жестко связана с ветвью 4 обводного воздухоподающего патрубка посредством фланцевого болтового соединения 12.
Система «холодного» запуска турбины выполнена с возможностью раскрутки турбины 1 ТКР 2 воздушным потоком от стороннего компрессора 6, выходной напорный патрубок 12 которого подключен посредством распределительного узла 9 ко входному патрубку 5 турбины 1 ТКР 2 перед камерой 3 сгорания, считая по направлению движения воздушного потока в этой ветви, посредством ветви 4 обводного воздухоподающего патрубка.
Каждая ветвь 4 и 7 обводного патрубка снабжена термокомпенсатором 16.
В выходном напорном патрубке 10 при выходе из стороннего компрессора установлен виброкомпенсатор 17.
Система «горячего» запуска турбины включает ветвь 4, содержащую камеру 3 сгорания, дополнительно снабженную байпасным воздухоподающим трубопроводом 18, сообщенным с этой ветвью 4 обводного патрубка входным торцом 19, размещенным до перепускного клапана 11, установленного в ней, и выходным торцом 20, размещенным после указанного клапана 11, со стороны камеры 3 сгорания и снабжена в байпасном воздухоподающем трубопроводе 18 дополнительным управляемым клапаном 22, выполненым шаровым, с электроуправляемым автономным приводом, независимым от привода остальных перепускных клапанов.
Выходной торец 20 байпасного воздухоподающего трубопровода 18 сообщен с ветвью 4 перед камерой 3 сгорания, считая по направлению движения воздушного потока в этой ветви 4, причем он/ выходной торец 20 / введен во внутрь ветви 4 обводного воздухоподающего патрубка непосредственно перед камерой 3 сгорания, сосной с ней и снабжен насадкой 21, выполненной в виде конфузора, ориентированного в направлении камеры 3 сгорания.
Дополнительный управляемый клапан 22, размещенный в байпасном воздухоподающем трубопроводе 18, выполнен шаровым, с электроуправляемым автономным приводом, причем независимым от привода остальных перепускных клапанов.
Диаметр байпасного воздухоподающего трубопровода 18 выполнен, предпочтительно, равным (0,1-0,15) от диаметра ветви 4 или ветви 7 обводного воздухоподающего патрубка.
Насадка 21 байпасного воздухоподающего трубопровода 18 выполнена сменной.
В качестве стороннего компрессора 6 взят компрессор с производительностью, предпочтительно, равной 8-10 м.3/ мин.
Топливная форсунка 13 и свеча 14 зажигания размещены в одной плоскости, проходящей через центральную часть камеры сгорания 3. Топливная форсунка 13 наклонена под углом к оси 15 камеры 3 сгорания, а свеча 14 зажигания размещена в этой плоскости ниже топливной форсунки.
Устройство для запуска турбины турбокомпрессора, испытываемого на стенде функционирует следующим образом.
При запуске испытательного стенда воздух подают от стороннего компрессора 6, например, с производительностью, равной 8 м.3/мин.
Выходя из выходного патрубка 10 стороннего компрессора 6, воздух проходит через управляемый клапан 11 этого патрубка 10 и далее через распределительный узел 9 и следующий управляемый клапан 11 этого узла 9, после чего поступает в ветвь 4 обводного воздухоподающего патрубка, содержащую камеру 3 сгорания и байпасный воздуховодводящий трубопровод 18 в этой ветви 4.
При закрытии расположенного в ветви 4 управляемого клапана 11 между входным и выходным торцами 19 и 20, соответственно, байпасного воздухоподводящего трубопровода 18, воздух проходит непосредственно по байпасному воздухоподводящему трубопроводу 18, в частности проходит через размещенный в трубопроводе 18 дополнительный автономно управляемый перепускной клапан 22 и поступает в насадку 21, выполненную в виде конфузора, ориентированного вглубь камеры 3 сгорания. Клапан 22 выполнен с автономным электрическим управлением, независимым от регулировки остальных управляемых клапанов 11, установленных в распределительном узле 9 и других местах их установки. Регулировка этим клапаном 22 является плавной и точной. Она позволяет обеспечить необходимые скорости потока воздуха даже при малых скоростях воздуха.
Особенностью предлагаемого технического решения является место размещения насадки 21 внутри ветви 4 обводного воздухоподводящего патрубка, в зоне выполнения фланцевого болтового соединения 12 и непосредственно перед камерой 3 сгорания, считая по направлению движения воздушного потока в этой ветви 4. Это место размещения насадки 21 в зоне фланцевого болтового соединения 12 выбрано потому, что насадка 21 взята сменной и ее замену осуществляют через фланцевое болтовое соединение 12.
При этом особое значение для технического результата имеет также выполнение оптимального соотношения диаметра байпасного воздухоподводящего трубопровода 18 и диаметра ветви 4 обводного воздухоподводящего патрубка, в котором он установлен, предпочтительно, равного 0,1-0,15.
Воздух, выходящий из конфузорной насадки 21, имеет относительно высокую скорость, а топливная форсунка 13, наклоненная под углом к оси 15 камеры 3 сгорания, позволяет инжектировать топливо в зону высокоскоростного прохождения воздуха во внутрь камеры 3 сгорания и тем самым позволяет достичь качественного смесеобразования и благодаря свече 14 зажигания, оптимально размещенной в одной плоскости, проходящей через центральную часть камеры 3 сгорания с топливной форсункой 13 и несколько ниже форсунки 13, обеспечить надежное воспламенение топливной смеси, надежный запуск процесса сгорания топлива в камере сгорания и надежный запуск турбокомпрессора после привода турбины 1 ТКР 2 отработавшими газами а, следовательно, и предварительную раскрутку ротора турбокомпрессора перед запуском испытательного стенда.
После запуска турбокомпрессора обеспечивается вращение колеса компрессора 8 ТКР 2, нагнетающего свежий воздух в камеру 3 сгорания. После выхода ТКР 2 на режим холостого хода отключают подачу воздуха от стороннего компрессора 6.
Горячие стендовые испытания турбокомпрессоров проводят при скорости вращения ротора до 160 тыс. об/мин.
Время работы турбокомпрессора в каждом цикле испытаний находится в пределах от десятков минут до нескольких часов.
Предлагаемый стенд успешно прошел испытания и рекомендован к внедрению в производство.
Преимущество использования предлагаемого технического решения состоит в повышении устойчивости запуска испытываемых турбокомпрессоров двигателей внутреннего сгорания, особенно в начальный период запуска стенда и при малых расходах воздуха.