СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
TEST BENCH FOR GAS TURBINE ENGINES

Изобретение относится к области оборудования для проведения стендовых испытаний и может быть использовано для проведения приемосдаточных и других испытаний газотурбинных двигателей (ГТД) различного назначения, в частности авиационных, применяемых в судовых движителях, используемых в качестве приводов электрогенераторов или газоперекачивающих агрегатов.
Из уровня техники известно, что одним из распространенных направлений развития оборудования для испытаний различных типов ГТД являются стенды, в состав которых входит нагрузочное устройство. Нагрузочное устройство может иметь различное исполнение.
Так, например, известен стенд (см. патент РФ №2318195, кл. G01M 15/14, 2008 г.), в качестве нагрузочного устройства в котором использован пневмотормоз, выполненный в виде многоступенчатого двухконтурного компрессора с лемнискатой на входе и выхлопным устройством на выходе. Для проведения испытаний вал компрессора посредством муфты соединяют с валом испытуемого ГТД.
Недостатком такого стенда является то, что для изменения величины нагрузочных характеристик испытываемых ГТД различной мощности необходимо производить замену лопаток проточной части компрессора с соответствующей заменой выхлопного устройства, а для реализации программы испытаний судовых или газоперекачивающих ГТД, которая проводится в широком диапазоне мощностей с глубиной регулирования от 10 до 100% нагрузки, в компрессоре необходимо производить несколько переборок с демонтажом сменных сопел и выхлопных устройств, что снижает функциональные возможности стенда, а также усложняет и, соответственно, удорожает программу испытаний.
Известен стенд для испытаний ГТД, например, судового типа, содержащий опорную платформу, предназначенную для установки подлежащего испытаниям ГТД и нагрузочного устройства, выполненного в виде электрогенератора. Подлежащий испытаниям ГТД и нагрузочное устройство монтируют на платформе и кинематически соединяют друг с другом посредством рессоры через редуктор с изменяемым передаточным числом.
При испытаниях на стенде судового ГТД с числом оборотов силовой турбины, отличающимся от стандартной частоты турбогенератора (50 Гц), применяется редуктор для согласования частот вращения ГТД и турбогенератора (например, 4600 об/мин - ГТД и 3000 об/мин - турбогенератор). При испытаниях ГТД с другим числом оборотов силовой турбины должно регулироваться передаточное число редуктора, для чего редуктор должен быть двухступенчатым (или многоступенчатым).
В процессе испытаний после выхода ГТД на холостой ход обеспечивают его прогрев, по окончании которого производят автоматическое или ручное увеличение режима работы ГТД до заданной частоты вращения его ротора (3000 об/мин), при этом для обеспечения утилизации электроэнергии электрогенератор имеет выход в региональную энергосеть или в локальную сеть с использованием вырабатываемого электричества для собственных технологических нужд (см. патент РФ на полезную модель №113838, кл. G01M 15/14, 2012 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известного стенда необходимо отметить, что регулирование его параметров с применением серийного электрогенератора и редуктора с изменяющимся передаточным числом и передачей выработанной энергии в сеть может быть реализовано только в очень узком диапазоне частоты вращения электрогенератора (±0,5 Гц) при подсоединении к местной энергосистеме и -5…+3% от номинальной частоты при работе на автономную балластную нагрузку), в то время, как диапазон регулирования параметров испытуемых судовых ГТД от режима «холостого хода» до «номинального» составляет от 15% до 100% - по числу оборотов, и от 0 до 100% - по величине вырабатываемой мощности. Данный стенд также не может быть использован для испытаний ГТД газоперекачивающих агрегатов с диапазоном регулирования числа оборотов ГТД от 70 до 105%.
Весьма также существенно, что изменение передаточного числа редуктора в известном решении может производиться только при монтаже испытываемого ГТД на стенде.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание стенда для испытаний ГТД, обладающего широкими функциональными возможностями (практически универсального) за счет применения в качестве нагрузочного устройства турбогенератора, работающего на автономную нагрузку с частотой до 60 Гц и обеспечивающего работоспособность при числе оборотов от 700 до 3600 об/мин, а также в реверсивном режиме с изменением напряжения и частоты на обмотках турбогенератора (U и f соответственно) по закону U/f=const, что соответствует «квадратичному» закону изменения генерируемой турбогенератором мощности от частоты вращения, характерной для газоперекачивающих агрегатов. «Кубичный» закон изменения мощности турбогенератора от числа оборотов, характерный для судовых двигателей, при таком законе реализуется заведомо, так как мощность, генерируемая турбогенератором, при таком законе будет значительно меньше.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в стенде для испытаний газотурбинных двигателей, включающем нагрузочное устройство, имеющее возможность соединения с валом свободной силовой турбины испытуемого газотурбинного двигателя, новым является то, что в качестве нагрузочного устройства использован синхронный реверсивный турбогенератор, вал ротора которого имеет возможность соединения одним концом с валом свободной силовой турбины испытуемого газотурбинного двигателя, причем стенд оснащен системой возбуждения турбогенератора, автономной активной балластной нагрузкой (далее - балластная нагрузка) и командным блоком, статорные электрические цепи турбогенератора имеют возможность подключения к балластной нагрузке, электрические цепи обмоток ротора турбогенератора подключены к системе возбуждения, при этом турбогенератор содержит датчик частоты вращения его вала, связанный с командным блоком, подключенным к системе возбуждения, и имеющим возможность подключения к сектору газа испытуемого газотурбинного двигателя. Стенд может быть оснащен связанным с командным блоком тормозным устройством, установленном на другом, свободном конце вала турбогенератора, причем на другом, свободном конце вала ротора турбогенератора может быть установлен редуктор для соединения с валом свободной силовой турбины испытуемого газотурбинного двигателя, а система возбуждения может иметь два канала управления, один из которых предназначен для управления возбуждением турбогенератора на режиме «прямой ход», а другой - на режиме «реверс». Стенд может быть дополнительно оснащен датчиком измерения величины крутящего момента вала свободной силовой турбины газотурбинного двигателя, установленным в кинематической цепи «вал газотурбинного двигателя - редуктор - вал ротора турбогенератора» и измерителем электрической мощности на шинах балластной нагрузки, установленным между выключателем и балластной нагрузкой.
В качестве балластной нагрузки стенда могут быть использованы резистивные элементы, выполненные из сплава фехраль или нихром, со сбросом выделенного в этих элементах тепла в пространство за счет излучения.
-1
-1
Суть изобретения заключается в использовании в качестве нагрузочного устройства стенда серийного реверсивного синхронного турбогенератора с подключенными статорными электрическими цепями к балластной нагрузке. Реверсивный синхронный турбогенератор обеспечивает при проведении испытаний продолжительную работу в прямом и реверсивном направлении, при числах оборотов ротора от 700 мин до максимальных 3600 мин. Это позволяет проводить на данном стенде испытания ГТД любых типов (судовых, приводов компримирующих агрегатов, энергетических). В энергетике применяются мощные турбогенераторы (мощность от единиц до сотен МВт) только синхронного исполнения. Поэтому в составе стенда применяется серийный синхронный турбогенератор.
Измерение величины вырабатываемой ГТД мощности выполняется датчиком электрической мощности, установленным на шинах балластной нагрузки, а величина крутящего момента силовой турбины ГТД измеряется датчиком крутящего момента, установленным в линии вала, соединяющего ГТД и турбогенератор.
Таким образом, стенд в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использован:
- для испытания ГТД с приводом электрогенератора с частотой 50 Гц (или 60 Гц) с выработкой, в случае необходимости, электроэнергии на автономную секцию электропотребителей собственных нужд;
- для испытания ГТД для привода газоперекачивающих агрегатов с числом оборотов от 70 до 105% номинального числа оборотов вала силовой турбины («квадратичная» зависимость);
- для испытаний судовых ГТД с числом оборотов от 15 до 100% номинального числа оборотов вала силовой турбины («кубичная» зависимость);
- для испытания ГТД с любой другой зависимостью изменения мощности в заданном диапазоне частот вращения ГТД.
При условии, что турбогенератор имеет два рабочих конца вала ротора, к ним могут быть подключены испытываемые ГТД:
- с числом оборотов до 3600 об/мин - напрямую;
- с числом оборотов выше 3600 об/мин - через редуктор.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - схема стенда для испытаний ГТД;
- на фиг. 2 - схема стенда, реализующего режим «стоп-винт» при испытаниях судового ГТД;
- на фиг. 3 - схема стенда, реализующего режим «реверс» при испытаниях судового ГТД;
- на фиг. 4 - схема стенда, реализующего режим испытаний энергетических ГТД.
Стенд для испытаний ГТД выполнен в виде стапеля (не показан), на котором имеются штатные места для установки подлежащего испытаниям ГТД, вал свободной силовой турбины которого обозначен позицией 1, на конце данного вала имеется место для подсоединения редуктора 2. На стапеле также имеются штатные места для установки нагрузочного устройства 3. В качестве нагрузочного устройства используют стационарно установленный стандартный синхронный реверсивный турбогенератор 3.
Один конец вала ротора турбогенератора 3 имеет возможность подсоединения к редуктору 2.
Статорные электрические цепи турбогенератора 3 через выключатель 4 подключены к шинам балластной нагрузки 5, в качестве которой использована резистивная нагрузка с постоянным сопротивлением и с плавным изменением величины электрической мощности турбогенератора за счет изменения подаваемого к шинам балластной нагрузки напряжения.
Электрические цепи обмоток ротора турбогенератора 3 подключены к системе независимого возбуждения 6, связанной через трансформатор Т с источником питания 7, в качестве которого может быть использована система внешнего электроснабжения предприятия 10 кВ.
Возбуждение турбогенератора осуществляют по схеме независимого возбуждения.
Система возбуждения может быть выполнена различным известным образом, например, состоять из: понижающего трансформатора Т, подсоединенного к независимой электрической сети 7; двух управляемых тиристорных выпрямителей; двух регуляторов возбуждения с автоматическим и ручным управлением; блока управления и регулирования возбуждения.
Система возбуждения 6 может иметь два автономных канала (6.1, 6.2, см. фиг. 3) регулирования, один из которых задействован при испытаниях на «прямом» ходе турбины, а второй - на «реверсном». Переход регулирования с одного канала на другой осуществляется автоматически.
Для повышения производительности испытательного стенда свободный второй конец вала ротора нагрузочного устройства 3 может быть оснащен муфтой или редуктором (не показаны), предназначенными для соединения с валом свободной силовой турбины второго, подлежащего испытаниям ГТД. Таким образом, испытываемые ГТД могут быть подсоединены к любому из концов вала ротора нагрузочного устройства, что создает дополнительное рабочее место и сокращает цикл подготовительных работ при испытаниях на стенде.
На свободном втором конце вала ротора турбогенератора может быть установлено тормозное устройство 8 (например, механического типа) (см. фиг. 2 - фиг. 4).
Стенд может быть оснащен датчиком 9 измерения частоты вращения вала ротора турбогенератора, подключенным к входу командного блока 11. Командный блок подключен к системе возбуждения 6, к сектору газа 10 ГТД и к тормозному устройству 8 для управления ими при проведении испытаний. Командный блок обеспечивает согласование сигналов частоты вращения вала ротора турбогенератора, напряжения возбуждения турбогенератора и положения сектора газа ГТД.
Стенд может быть оснащен выключателем 12 для передачи генерируемый турбогенератором мощности на шины для собственных нужд или в региональную энергосистему.
Такой режим может быть реализован только при испытаниях ГТД, предназначенных для привода турбогенераторов с частотой 50 Гц.
Для измерения величины крутящего момента вала свободной силовой турбины ГТД в кинематическую цепь «вал 1 - редуктор 2 - вал ротора турбогенератора 3» может быть установлен датчик крутящего момента 13.
Для измерения величины вырабатываемой ГТД мощности в линии «выключатель 4 - балластная нагрузка 5» может быть установлен измеритель электрической мощности 14, обеспечивающий измерение тока и напряжения (при изменяемой частоте в диапазоне 15-60 Гц) на шинах балластной нагрузки 5.
В кинематический цепи «вал 1 - редуктор 2 - вал ротора турбогенератора 3» может быть установлена муфта предельного момента (не показана), срабатывающая при возможном коротком замыкании в электрических обмотках турбогенератора.
-1
При необходимости проведения испытаний ГТД на числе оборотов, превышающем 3600 мин, в составе стенда может быть применен редуктор, согласовывающий числа оборотов вала свободной силовой турбины ГТД и вала турбогенератора.
Агрегаты и узлы стенда, конструкция которых не раскрыта в настоящей заявке, являются известными и их конструктивное решение не составляет предмета патентной охраны.
Стенд обеспечивает испытания ГТД различного назначения со следующими характеристиками:
- судовых ГТД с «винтовой» характеристикой нагружения в диапазоне 15-100% по частоте оборотов силовой турбины ГТД и от 0 до 100% по величине генерируемой мощности;
- ГТД для привода газоперекачивающих агрегатов с «квадратичной» характеристикой изменения частоты оборотов силовой турбины ГТД от 70% до 105% и величиной мощности от 0 до 100%;
- ГТД для привода электрогенераторов с частотой вращения 50±0,5 Гц и любой величине генерируемой мощности;
- ГТД для привода агрегатов с любым законом изменения частоты вращения и величины генерируемой мощности.
Стенд для испытаний ГТД работает следующим образом.
Подлежащий испытаниям ГТД монтируют на штатное место стапеля стенда. На фундаментной плите стенда стационарно устанавливают нагрузочное устройство 3 - турбогенератор. Вал 1 свободной силовой турбины ГТД соединяют (напрямую или через редуктор 2) с концом вала ротора турбогенератора 3. Если это необходимо для выполнения программы испытаний, то на свободный конец вала турбогенератора монтируют тормозное устройство 8. На командном блоке 11 устанавливают режим испытаний. Стенд готов к проведению испытаний.
При проведении испытаний любых ГТД (судовых, газоперекачивающих, энергетических) необходимо снимать нагрузочные характеристики ГТД, т.е. получать данные по величине генерируемой мощности в зависимости от числа оборотов силовой турбины ГТД и, соответственно, турбогенератора на номинальном или частичных режимах.
Запускают испытуемый ГТД штатной системой управления ГТД и выводят его на режим «холостой ход». После прогрева ГТД начинают его нагружение за счет подачи управляющих сигналов с командного блока 11 на сектор газа 10 и включения системы возбуждения 6 с повышением по заданной программе напряжения возбуждения на электрических цепях обмоток ротора турбогенератора 3 и, соответственно, на обмотках статора, подсоединенных к балластной нагрузке 5.
эл.
2
На балластную нагрузку 5 подают статорное напряжение, генерируя электрическую мощность по зависимости Р=U/R, где U - напряжение на обмотках статора, a R - сопротивление балластной нагрузки (постоянная величина). За счет регулирования напряжения плавно изменяют нагрузку ГТД от нуля до номинальной мощности в зависимости от заданного командным блоком алгоритма изменения частоты вращения вала ротора турбогенератора («квадратичный», «кубичный» или любой другой закон изменения).
Уменьшение мощности ГТД от номинала до «холостого хода» изменяют за счет соответствующего сигнала с командного блока 11 на сектор газа 10 при одновременном плавном изменении величины напряжения возбуждения. При повышении или снижении мощности, задаваемой сектором газа, изменяется напряжение возбуждения на обмотках турбогенератора, подсоединенного к балластной нагрузке. При этом мощность изменяется по закону, заданному командным блоком. Величина генерируемой мощности и число оборотов вала турбогенератора (соответственно и ГТД) фиксируются измерителем активной мощности 14 на балластной нагрузке и датчиком 9. Дублируют измерение мощности (или крутящего момента) датчиком крутящего момента 13.
-1
-1
При реализации режима испытаний «стоп-винт», который используют при испытаниях судовых ГТД, возникает проблема затормаживания вращающегося с большой скоростью вала свободной силовой турбины, соединенного с валом ротора турбогенератора. Для этого используется схема стенда, представленная на фиг. 2. В данном случае в процессе испытаний обеспечивают затормаживание вращающегося ротора ГТД до его полного останова за счет электродинамического торможения на балластную нагрузку 5 и использования механического тормозного устройства 8. Например, вал ротора турбогенератора, мощностью 20 МВт (массой 12 тонн), соединенный с валом свободной турбины ГТД, после прекращения подачи топлива в камеру сгорания ГТД может вращаться с частотой вращения от 3000 мин до полного останова в течение 20-25 минут. Поэтому при снижении мощности ГТД до режимов «малый газ» или «холостой ход» первоначально предусматривается электродинамическое торможение ротора при работе на балластную нагрузку 5 за счет воздействия на систему возбуждения турбогенератора с соответствующим изменением напряжения на ней при включенном выключателе 4, а при падении частоты вращения вала свободной силовой турбины до 800-900 мин, когда эффективность электрического затормаживания снижается из-за уменьшения взаимодействия электрических полей ротора и статора турбогенератора, торможение вала до его полного останова осуществляют тормозным устройством 8. Такой режим торможения обеспечивает форсированное затормаживание вала свободной силовой турбины до его полного останова за 30-35 секунд.
Приведенный выше режим затормаживания характерен для ГТД с «безреверсной» силовой турбиной, работающей только в режиме «прямой ход».
Если испытуемый ГТД оснащен «реверсной» силовой турбиной, то процесс затормаживания вращающегося ротора турбогенератора может быть реализован при совместном воздействии электродинамического торможения и обратного вращения силовой турбины за счет направления потока продуктов сгорания на реверсные лопатки турбины. В данном случае командный блок переключает систему возбуждения 6 с канала управления «прямой ход», на канал управления «обратный ход» (см. фиг. 3). Переключение системы регулирования с канала на канал осуществляется автоматически.
В процессе проведения испытаний датчик 9 передает параметры частоты вращения вала ротора турбогенератора в командный блок 10, который обеспечивает реализацию алгоритма управления величиной напряжения возбуждения системы возбуждения 6 в зависимости от числа оборотов и направления вращения вала.
Регулирование мощности ГТД в зависимости от числа оборотов вала обеспечивается за счет воздействия на систему подачи топлива (сектор газа 10), сигнал на которую формируется в командном блоке, функционально соединенном с системой возбуждения турбогенератора.
эл.
2
В отличие от традиционного регулирования мощности турбогенератора, работающего на автономную балластную нагрузку за счет ступенчатого подключения секций нагрузки, что приводит к большому количеству коммутирующей аппаратуры, в заявленном изобретении в качестве нагрузочного устройства используется единая балластная нагрузка 5 (без коммутации секций) с изменением величины нагрузки по закону Р=U/R за счет изменения приложенного напряжения (U) при заданном постоянном значении сопротивления (R) нагрузки. Изменение нагрузки от нуля до номинального значения достигается за счет плавного изменения напряжения в системе возбуждения турбогенератора и, соответственно, на резисторах балластной нагрузки, подключенной к статорным цепям турбогенератора. Для обеспечения бесступенчатого, плавного регулирования мощности балластной нагрузки изменяют напряжение на обмотках турбогенератора за счет воздействия на систему возбуждения. При повышении напряжения на балластной нагрузке (при неизменном сопротивлении резисторов) повышается величина сбрасываемой мощности и, соответственно, температура резисторов. При этом сброс выделяемого тепла с поверхности резистора обеспечивается за счет излучения.
Реализуемый балластной нагрузкой сброс мощности, т.е. тепла за счет излучения более эффективен (в разы) по сравнению с традиционно применяемым конвективным (естественным или принудительным) теплообменом и более прост за счет исключения коммутирующей аппаратуры, обеспечивающей ступенчатое изменение величины балластной нагрузки.
ном
тек
При реализуемом балластной нагрузкой 5 лучистом теплообмене в номинальном режиме выбирается рабочая температура резистивных элементов балластной нагрузки (например, t=+800°C или Т=1073 К) и определяются конструктивные размеры резистивного элемента при заданном номинальном напряжении и электрической мощности. Для изменения нагрузки (уменьшения или увеличения) изменяется величина напряжения и, соответственно, температура излучения резистивного элемента. При этом величина сбрасываемой излучением электрической мощности пропорциональна параметру , где Т - температура резистора при номинальной мощности, Т - температура резистора при заданной величине сбрасываемой мощности.
тек
ном
тек
ном
Например, при величине сбрасываемой мощности в два раза ниже номинальной, температура излучения будет равна не 800°С (1073 К), а 630°С (903 К), а при N=0,1 N, температура излучения элемента будет равна 330°С, при N=1,2 N температура равна 850°С (1123 К). При этом величина удельного сопротивления резистора в заданном диапазоне температур (от 300 до 900°С) практически постоянна.
-1
-1
Используемый турбогенератор обеспечивает продолжительную работу при частоте вращения ротора в широком диапазоне: от оборотов «холостого хода» до номинальных (от 700 мин до 3600 мин) по закону регулирования U/f=const, где U - напряжение на шинах, a f - частота вращения вала турбогенератора.
Выполнение стенда для испытаний ГТД различного назначения (судовых, газоперекачивающих, энергетических) с использованием в качестве нагрузочного устройства синхронного реверсивного турбогенератора, работающего на балластную нагрузку, согласно изобретению имеет по сравнению с наиболее близким аналогом значительно более широкие возможности по величине изменяемой мощности ГТД (от 0 до 100% номинальной нагрузки) и числа оборотов силовой турбины от 15% до 100% об/мин. Кроме того, на стенде с применением турбогенератора в качестве нагрузочного устройства может быть реализован режим форсированного затормаживания ротора турбогенератора с переводом в «реверсивный режим»
При реализации плавного сброса мощности за счет излучения не требуется дорогостоящих систем охлаждения балластной нагрузки, исключается регулирующая коммутационная аппаратура, обеспечивающая электрическое ступенчатое нагружение, значительно сокращаются затраты на изготовление и обслуживание балластной нагрузки.